Uno sguardo alle stelle: navigazione con Multi

Sep 22, 2023

Vengono presentati i risultati sperimentali e di simulazione delle costellazioni satellitari Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium LEO, dimostrando l'efficacia e l'enorme promessa dei sistemi di navigazione opportunistica cieca LEO-agnostici proposti.

ZAHER (ZAK) M. KASSAS, SHARBEL KOZHAYA, JOE SAROUFIM, HAITHAM KANJ, SAMER HAYEK

LABORATORIO DI PERCEZIONE, INTELLIGENZA E NAVIGAZIONE DEI SISTEMI AUTONOMI (ASPIN), UNIVERSITÀ STATELE DELL'OHIO, COLUMBUS, OHIO

Stiamo assistendo ad una rinnovata corsa allo spazio. Dai giganti della tecnologia, alle startup, ai governi, tutti rivendicano un interesse nel lancio della propria costellazione di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO). Queste costellazioni promettono di trasformare la nostra vita quotidiana, offrendo connettività a banda larga ovunque sulla Terra, e andranno a beneficio della ricerca scientifica in campi come il telerilevamento. Tuttavia, non tutte queste costellazioni sono uguali. Le cosiddette megacostellazioni, composte da decine di migliaia di satelliti, stanno per diventare realtà. Starlink di SpaceX è chiaramente il favorito, con l’ambizioso piano di schierare quasi 12.000 satelliti LEO. Queste costellazioni saranno accolte favorevolmente dalle attuali costellazioni che popolano il Leone e, collettivamente, potrebbero inaugurare una nuova era per il posizionamento, la navigazione e il cronometraggio (PNT).

Questo articolo presenta i risultati PNT attuali e all'avanguardia con segnali di opportunità satellitari LEO multi-costellazione (SOP) provenienti da quattro costellazioni di satelliti LEO (Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium) e fornisce una panoramica di una navigazione opportunistica LEO-agnostica ricevitore, che non presuppone alcuna conoscenza preliminare dei segnali di downlink LEO. Il ricevitore è in grado di acquisire e tracciare segnali satellitari LEO sconosciuti in modo cieco, producendo osservabili di navigazione Doppler con precisione a livello di Hz. È stato sviluppato un framework DSTAN (differenziale di tracciamento e navigazione simultaneo) per affrontare la natura poco conosciuta delle effemeridi del satellite LEO e degli errori sconosciuti dell'orologio.

Vengono inoltre presentati i risultati sperimentali della navigazione su un ricevitore stazionario e su un veicolo terrestre. Per il ricevitore stazionario, partendo da una stima iniziale a circa 3.600 km di distanza, sfruttando i segnali provenienti da 4 Starlink, 2 OneWeb, 1 Orbcomm e 1 Iridium, è stato ottenuto un errore di posizione 2D finale di 5,1 m. Il veicolo terrestre, dotato di un'unità di misura inerziale (IMU) di livello industriale e di un altimetro, ha percorso 1,03 km in 110 secondi (i segnali GNSS erano disponibili solo per i primi 0,11 km). Sfruttando i segnali provenienti da 4 Starlink, 1 OneWeb, 2 Orbcomm e 1 Iridium, l'errore quadratico medio della posizione 3D (RMSE) e l'errore 3D finale di DSTAN erano rispettivamente di 9,5 me 4,4 m. Questi risultati rappresentano il primo sfruttamento dei segnali satellitari OneWeb LEO sconosciuti per scopi PNT e il primo LEO PNT multi-costellazione con i satelliti Starlink, OneWeb, Orbcomm e Iridium.

L'articolo si conclude presentando i risultati della simulazione che fungono da anticipazione del futuro quando verranno implementate le costellazioni Starlink e OneWeb. DSTAN potrebbe raggiungere una precisione a livello di decimetro e di metro con misurazioni pseudorange e Doppler, rispettivamente, su una traiettoria di 23 km senza GNSS.

Stanno nascendo mega-costellazioni di satelliti LEO (ad esempio Starlink, OneWeb e Kuiper), che si uniscono alle costellazioni LEO esistenti (ad esempio Orbcomm, Globalstar, Iridium, tra gli altri) [1]. Questi satelliti inonderanno la Terra con una miriade di segnali, diversi in frequenza e direzione, che potrebbero essere utilizzati per PNT in modo dedicato o opportunisticamente.Figura 1raffigura le quattro costellazioni satellitari LEO considerate in questo articolo.

Per compensare i limiti del GNSS, i ricercatori hanno studiato lo sfruttamento delle SOP terrestri per PNT negli ultimi dieci anni [2]. Lo sfruttamento delle SOP non è rimasto terrestre, poiché recentemente i satelliti LEO hanno ricevuto notevole attenzione come potenziali SOP. Sono stati condotti numerosi studi teorici e sperimentali sui PNT basati su LEO [3-5].