Satelliti LEO e Starlink: Vi Porto con Me alla Scoperta del Posizionamento del Futuro!

Ciao a tutti, appassionati di tecnologia e curiosi del cielo! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta davvero a cuore e che, credetemi, sta per cambiare il modo in cui pensiamo al “trovarci sulla mappa”. Avete presente il GPS? Fantastico, certo, ma non è infallibile. Immaginatevi in una fitta foresta o nel cuore di una metropoli piena di grattacieli: il segnale va e viene, un vero incubo! E se vi dicessi che c’è un’alternativa, o meglio, un potentissimo alleato che sta prendendo forma sopra le nostre teste? Sto parlando dei satelliti a Orbita Bassa Terrestre (LEO) e, in particolare, della gigantesca costellazione Starlink.

GNSS: Limiti e Alternative Brillanti

Il Global Navigation Satellite System (GNSS), il papà del nostro GPS, è una tecnologia pazzesca, ma i suoi segnali, quando arrivano a terra, sono piuttosto deboli. Questo li rende vulnerabili a interferenze, ostacoli fisici e persino ad attacchi di “spoofing” (quando qualcuno cerca di ingannare il vostro ricevitore). Risultato? Posizionamento impreciso o, peggio, impossibile. È qui che entrano in gioco i cosiddetti “Segnali di Opportunità” (SOP). Si tratta di segnali radio non pensati per la navigazione, ma che possiamo “dirottare” per capire dove siamo. Fonti terrestri come stazioni radio FM/AM, Wi-Fi e antenne cellulari sono utili, ma limitate geograficamente. I satelliti LEO, invece, offrono una copertura globale e sono tantissimi!

Pensate a Starlink: ad aprile 2024, contava oltre 6000 satelliti in orbita! Questi non solo ci danno internet superveloce, ma i loro segnali contengono sequenze che possiamo usare per misurare la “pseudo-distanza”, un concetto chiave per il posizionamento. È come avere un’alternativa al GNSS, pronta a entrare in azione.

La Sfida delle Antenne e dei Segnali “Sconosciuti”

Ricevere i segnali Starlink non è banale. Le antenne paraboliche o quelle a scansione elettronica (phased array) sono efficaci ma costose e, nel caso delle paraboliche, possono seguire un solo satellite alla volta. Noi, nel nostro studio, abbiamo pensato: “E se usassimo qualcosa di più semplice ed economico, come un’antenna a fascio largo (tipo un LNB, quel componente che vedete sulle parabole TV satellitari)?” Questo ci permetterebbe di tracciare più satelliti contemporaneamente a basso costo. Figo, no?

Certo, ci sono delle sfide: distinguere i segnali di satelliti diversi quando li ricevi tutti insieme e captare segnali deboli. E poi, c’è il “piccolo” dettaglio che l’ora esatta di trasmissione del segnale da questi satelliti non è pubblica, così come le loro orbite precise al millimetro. Senza questi dati, il posizionamento tradizionale va a farsi benedire. Ma noi non ci siamo persi d’animo!

La Nostra Proposta: Posizionamento Congiunto Pseudo-Distanza e Doppler

Abbiamo sviluppato un metodo che chiamo “posizionamento congiunto pseudo-distanza e Doppler” sfruttando i segnali di opportunità dei satelliti LEO, con un occhio di riguardo per Starlink. L’idea è usare in modo intelligente tutte le informazioni che possiamo estrarre.

Ecco come funziona, in parole povere:

• Utilizziamo antenne LNB a basso costo per ricevere simultaneamente i segnali da più satelliti Starlink.
• Abbiamo messo a punto un sistema per rilevare segnali molto deboli e, cosa importantissima, per isolare i segnali provenienti da satelliti diversi. Immaginate di ascoltare tante voci in una stanza e riuscire a distinguere cosa dice ognuna!
• Per risolvere il problema dell’ora di trasmissione sconosciuta, abbiamo ideato un algoritmo di “inversione tempo-frequenza a bordo”. In pratica, con una stazione di riferimento a terra (la cui posizione è nota con precisione), riusciamo a stimare l’ora e la frequenza di trasmissione originali del segnale. Questo ci permette di calcolare la pseudo-distanza.
• Combiniamo queste misure di pseudo-distanza con le misure Doppler (la variazione di frequenza del segnale dovuta al movimento relativo del satellite, un po’ come il suono di un’ambulanza che cambia quando si avvicina e si allontana).

E per valutare la precisione? Abbiamo introdotto un nuovo concetto: l’Equivalent Position Dilution of Precision (EPDOP), (s_{{{text{EPDOP}}}}). È un modo per descrivere in maniera chiara e intuitiva come gli errori di misurazione si propagano e influenzano l’accuratezza del posizionamento quando usi tipi diversi di osservazioni (pseudo-distanza e Doppler).

Esperimenti sul Campo: Starlink e Iridium NEXT alla Prova

Dato che i segnali di comunicazione Starlink non sono pienamente disponibili per questi test in Cina, abbiamo dovuto ingegnarci. Per la parte Doppler, abbiamo usato i “toni di perdita” di Starlink (leakage tones). Per validare l’acquisizione della pseudo-distanza, abbiamo sfruttato i segnali dei satelliti Iridium NEXT, che hanno una copertura globale e segnali ben noti.

I risultati sono stati entusiasmanti! Utilizzando solo le osservazioni Doppler di Starlink, il nostro metodo ha raggiunto una precisione di posizionamento 2D di 3,6 metri e 3D di 6,2 metri. Questo è un miglioramento di almeno il 35,7% rispetto agli algoritmi esistenti che usano antenne più complesse! Quando abbiamo combinato le pseudo-distanze ottenute dai segnali Iridium NEXT con le misure Doppler di Starlink, in uno scenario con una linea di base di 40 km (distanza tra la stazione di riferimento e l’utente), abbiamo ottenuto una precisione 2D di 24 metri e 3D di 41 metri. Non male, considerando le sfide!

Perché è Importante? Rilevamento ad Alta Sensibilità e Isolamento dei Satelliti

Una delle chiavi del nostro successo è l’algoritmo di rilevamento ad alta sensibilità. Quando si usa un’antenna LNB, il segnale ricevuto è debole (CNR tra 10-30 dB·Hz). Per “vederlo”, serve un’integrazione prolungata. Ma c’è un tranello: i segnali Starlink hanno una variazione Doppler (Doppler rate) che può arrivare a 3.7 kHz/s! Se non compensi questa variazione, il guadagno dell’integrazione crolla e il segnale sparisce nel rumore. Il nostro algoritmo “pulisce” il segnale da queste variazioni, permettendoci di rilevare segnali fino a -159 dBm, ben 9 dB meglio di altri metodi!

E come distinguiamo i segnali da satelliti diversi con un’antenna che “vede” un’ampia porzione di cielo? Sfruttiamo le differenze nelle variazioni Doppler (Doppler rate) tra i vari satelliti. Ogni satellite ha una sua “firma” unica in questo senso. Abbiamo calcolato che la probabilità di “collisione” (cioè di confondere due satelliti) è inferiore a uno su mille. Questo ci permette di tracciare più satelliti contemporaneamente, il che è fondamentale per un buon posizionamento.

Abbiamo anche analizzato come gli errori orbitali dei satelliti (le TLE, le effemeridi pubbliche, non sono super precise) influenzano il rilevamento. Curiosamente, gli errori radiali (lungo la linea satellite-Terra) e trasversali (lungo la direzione del moto) sono i più critici, mentre quelli normali (perpendicolari al piano orbitale) impattano meno.

Soppressione degli Errori Orbitali e il Concetto di EPDOP

Il nostro algoritmo di inversione tempo-frequenza non solo ci dà la pseudo-distanza, ma aiuta anche a mitigare gli errori orbitali. Funziona un po’ come un metodo differenziale, ma analizzando meglio la natura degli errori. Abbiamo visto che con linee di base corte (1-2 km tra utente e stazione di riferimento), l’effetto degli errori orbitali sulle misure finali è minimo.

E qui torna in gioco l’EPDOP. Nel GNSS si usa il DOP (Dilution of Precision) per capire come la geometria dei satelliti influenzi la precisione. Ma quando hai misure eterogenee come pseudo-distanza e Doppler, con precisioni diverse, il DOP tradizionale non basta più. L’EPDOP che abbiamo formulato parte dal Cramer-Rao Bound (CRB), un limite teorico sulla precisione di stima, e ci fornisce un valore scalare che descrive in modo conciso la propagazione dell’errore. Le simulazioni hanno confermato la validità del nostro EPDOP: i risultati pratici (RMSE) e quelli teorici (CRB calcolati con EPDOP) erano praticamente identici!

Simulando le prestazioni globali della costellazione Starlink, abbiamo visto che usare un’antenna LNB (che traccia fino a dieci satelliti) invece di una parabolica (che ne traccia al massimo tre) migliora la precisione di oltre il 50% su 2/3 del globo. Inoltre, il posizionamento congiunto pseudo-distanza/Doppler è risultato più accurato del solo Doppler, specialmente con pochi satelliti visibili, migliorando la precisione di circa il 20%.

Conclusioni e Prospettive Future

Quindi, cosa abbiamo imparato? Che è possibile ottenere un posizionamento preciso e a basso costo utilizzando i segnali di opportunità dei satelliti LEO, come quelli di Starlink. Il nostro metodo congiunto pseudo-distanza e Doppler, basato su antenne a fascio largo e un intelligente algoritmo di inversione tempo-frequenza, non solo funziona, ma supera le prestazioni dei sistemi attuali in termini di accuratezza, specialmente in scenari difficili.

Certo, c’è ancora strada da fare. La precisione con Iridium NEXT, ad esempio, non eguaglia ancora le simulazioni a causa del maggior errore intrinseco nella sua pseudo-distanza. Ma i risultati sono estremamente promettenti. Immaginate un futuro in cui il vostro smartphone, la vostra auto, o persino un drone, possano geolocalizzarsi con precisione millimetrica ovunque, anche dove il GPS tradizionale arranca, sfruttando questa miriade di “fari” che sfrecciano sopra di noi.

L’introduzione dell’EPDOP, poi, fornisce uno strumento teorico solido per analizzare e valutare futuri algoritmi di posizionamento basati su segnali LEO SOP. È un campo di ricerca affascinante, e sento che siamo solo all’inizio di una vera e propria rivoluzione nel mondo della navigazione e del timing. Non vedo l’ora di vedere cosa ci riserverà il futuro!

Fonte: Springer