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我们开发了一种在 10.7 至 12.7 GHz 频段内对 Starlink 下行链路信号进行盲信号识别的技术，并提供了信号结构的详细图片。重要的是，此处提供的信号表征包括嵌入信号中的同步序列的精确值，可用于产生伪距测量。对信号的这种理解对于寻求将 Starlink 信号用于定位、导航和授时的双重用途的新兴努力至关重要，尽管它们专为宽带互联网提供而设计。
SpaceX 的 Starlink 星座已经有超过 3000 颗卫星在轨，是 LEO 宽带提供商中部署最成熟的。最近使用 Starlink 信号进行基于机会多普勒定位的演示 [6]-[8] 开辟了令人兴奋的可能性。但是，Starlink 信号是否更普遍地适用于机会主义 PNT——而不仅仅是通过多普勒定位——以及它们是否可以像 [5] 中提出的那样成为功能齐全的 GNSS 的基础，仍然是一个悬而未决的问题，其答案取决于 广播信号，包括调制、定时和频谱特性。然而，尽管 Starlink 卫星的轨道、频率、极化和波束模式是通过美国联邦通信委员会 [9] 的许可数据库公开记录的问题，但信号波形本身的详细信息以及产生它的硬件的定时能力 不公开。
我们提供两项贡献来解决这一知识差距。首先，我们开发了一种在 10.7 至 12.7 GHz 频段内对 Starlink 下行链路信号进行盲信号识别的技术。该技术是现有盲正交频分复用 (OFDM) 信号识别方法（参见 [10]–[12] 及其中的参考文献）的重要扩展，这些方法仅成功应用于模拟信号。就我们所知，操作 OFDM 信号的盲识别，包括同步序列的精确确定，以前尚未实现。该技术不仅适用于 Starlink Ku 波段下行链路，而且通常适用于所有 OFDM 信号，除了估计 Starlink 可能独有的同步结构所需的某些步骤之外。
其次，我们详细描述了 10.7 至 12.7 GHz 频段内的 Starlink 下行链路信号结构。这适用于当前传输的 Starlink 卫星（版本 0.9、1.0 和 1.5），但考虑到需要为现有用户群保持向后兼容性，也可能适用于 2.0 版和可能的后几代卫星。我们的信号表征包括嵌入信号中的同步序列的精确值，可用于产生伪距测量。结合多个伪距测量以实现多方位 PNT，这是传统 GNSS 中的标准，与 [6]-[8]、[13] 中探讨的基于多普勒的定位相比，可以实现更快、更准确的机会位置效果。并且可以额外提供纳秒级精确计时，而即使在 [13] 中设想的乐观情景下，从基于多普勒的 LEO 信号处理中提取计时也会产生大约 0.1 到 1 毫秒的误差。
二。信号捕捉
为了便于复制我们的工作，并作为我们介绍信号模型的前奏，我们首先详细描述我们的信号捕获系统。
人们可能有理由怀疑是否可以修改标准消费者 Starlink 用户终端 (UT) 以捕获宽带（数百 MHz）原始信号样本以用于 Starlink 信号识别。不容易：将 UT 作为开发硬件运行，允许捕获原始信号样本，需要破坏专门为防止这种情况而设计的安全控制。此外，驱动 UT 的缩混和采样操作的时钟质量未知，因此会污染接收信号的任何时序分析。
我们选择开发自己的 Starlink 信号捕获系统。该系统由现成的硬件和定制软件组成，能够一次从一颗 Starlink 卫星捕获信号，并参考高度稳定的 GPS 纪律振荡器进行缩混和采样。
三、 信号识别初步
在这里，我们总结并扩充了之前引入的术语和符号，以便清楚地说明要解决的识别问题。然后，为了培养对下一节中介绍的求解过程的直觉，我们解释了如何利用信号循环平稳性来估计关键信号参数。
A. 感兴趣的术语和参数
我们假设分配给多频带 OFDM 信号的频谱被划分为功率谱密度近似均匀的 OFDM 信道。相邻通道由保护带分隔。每个信道由N个频谱重叠的正交子载波组成。频域 OFDM 符号是 N 个复值系数的向量，其第 k 个元素调制第 k 个子载波。频域 OFDM 符号的 IFFT，在前面加上保护间隔（循环前缀）时，变成时域 OFDM 符号。这些符号的子序列被打包成帧，其中一个或多个 OFDM 符号携带可预测的元素，称为同步序列，使接收器时间和频率同步。传输时，OFDM 信号的载波相位在每个帧内保持稳定。帧之间至少间隔帧保护间隔。可能还有更多的逻辑子帧结构（例如，时隙、报头段），但这些在本文的信号识别过程中没有涉及。请注意，三个不同的结构共享术语“保护”：信道之间的空频谱（保护频带）、帧之间的时间（帧保护间隔）和时域 OFDM 符号中的（循环）preffx（OFDM 符号保护间隔 ). 表 I 总结了本文信号识别问题中感兴趣的 OFDM 参数。
原文始发于微信公众号（太空安全）：StarLink频谱信号捕获与分析-V1.0
