스타링크 신호는 SpaceX가 좋든 싫든 GPS처럼 작동하도록 역설계될 수 있다.

SPACEX

토드 험프리가 스페이스X에 제안한 것은 간단했다. 몇 가지 소프트웨어를 수정하면 빠르게 성장하는 스타링크 위성도 정확한 위치, 내비게이션, 타이밍을 제공할 수 있다. 오스틴에 있는 텍사스 대학에서 험프리스의 연구에 자금을 지원하는 미 육군은 매우 오래되고 취약한 GPS 시스템에 대한 백업을 원했다. 스타링크가 그 역할을 맡을 수 있을까?

2020년에 이 아이디어가 처음 제안되었을 때, 스페이스X의 임원들은 이 아이디어에 대해 개방적이었다고 험프리스는 말한다. 그리고 나서 높은 곳에서 소식이 왔다. 험프리스는 MIT 테크놀로지 리뷰와의 인터뷰에서 "일론은 우리가 대화한 임원들에게 다른 모든 LEO[지구 저궤도] 통신망이 파산했다고 말했다"고 했다. "따라서 우리 [SpaceX]는 파산하지 않는 데 완전히 초점을 맞춰야 합니다. 우리는 어떤 방해물도 감당할 수 없습니다."

그러나 험프리스는 거절을 받아들이지 않았다. 지난 2년 동안 UT Austin의 Radioavigation Lab에 있는 그의 팀은 지구 저궤도에 있는 수천 개의 Starlink 인터넷 위성에서 지상 수신기로 역설계 신호가 전송되는 실험을 해오고 있었다. 이제 험프리스는 그의 팀이 이 문제를 해결했다고 말했고, 그는 수신기가 위성과 연결하는 것을 돕기 위해 고안된 위성의 정기적인 비콘* 신호가 유용한 네비게이션 시스템의 기반을 형성할 수 있다고 믿는다. 결정적으로, 이것은 스페이스X의 도움 없이 이루어질 수 있다.

* 크게는 무선 기지 등에서 발사되는 전파를 항공기, 선박, 자동차 등 이동체 내의 기기에서 수신하여, 위치를 비롯한 각종 정보를 취득하기 위한 기기였으나 2013년 이후 블루투스4.0(BLE) 프로토콜 기반으로 최대 70m 이내의 장치들과 교신할 수 있는 근거리 무선통신 장치라는 좁은 의미로도 쓰인다. 

 

험프리스는 자신의 연구실 웹사이트에 올린 논문에서 지금까지 스타링크 신호의 가장 완전한 특성을 제공했다고 주장한다. 그는 이 정보가 GPS 또는 유럽, 러시아, 중국 등과 관계없이 독립적으로 작동하는 새로운 글로벌 내비게이션 기술을 개발하기 위한 첫 단계라고 말한다.

험프리스는 "스타링크 시스템 신호는 철저히 보호되는 비밀입니다."라고 말한다. "우리의 초기 논의에서 스페이스X가 더 협조적이었을 때도, 그들은 우리에게 신호 구조를 전혀 밝히지 않았습니다. 우리는 그들의 신호를 도청하기 위해 처음에 기본적인 작은 전파 망원경을 만들면서 시작해야 했습니다."

이 프로젝트를 시작하기 위해 UT 오스틴은 스타링크 터미널을 구해 유튜브에서 라파엘 나달의 고화질 테니스 비디오를 스트리밍하는 데 사용했다. 이것은 근처의 별도의 안테나가 수신할 수 있는 일정한 스타링크 신호 소스를 제공하였다.

 

험프리스는 스타링크가 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)라는 기술에 의존한다는 것을 금방 깨달았다. OFDM은 원래 1960년대에 벨 연구소에서 개발되었으며 현재는 Wi-Fi와 5G에서 디지털 전송을 인코딩하기 위해 사용되고 있는 효율적인 방법이다. "OFDM이 대유행이다."라고 Virginia Tech의 GPS 전문가이자 항공우주학 교수인 Mark Psaki는 말한다. "이 기술은 주어진 대역폭에 초당 가장 많은 비트(데이터)를 채우는 방법입니다."

UT 오스틴 연구원들은 스타링크의 암호를 해독하거나 위성에서 내려오는 사용자 데이터에 접근하려고 시도하지 않았다. 대신, 그들은 수신기가 위성들과 조정하는데 도움을 주기 위해 저궤도상의 인공위성에서 전송되는 예측 가능하고 반복적인 신호인 동기화 시퀀스(순서)*를 찾았다. 험프리스는 그러한 시퀀스를 발견했을 뿐만 아니라, "우리는 그것들이 절대적으로 필요한 것보다 더 많은 동기화 시퀀스를 가지고 있다는 것을 알게 되어 기뻤습니다"라고 그는 말한다.

*연속된 데이터 비트들을 송신할 때(동기적 송신)는 수신자와 송신자 간에 어떤 형태로든 동기화가 필요하며, 가장 효율적인 방법은 문자들의 묶음(메시지 또는 블록)을 보낼 때 특정한 비트들의 묶음을 보내는 것인데, 이때 이 특정 비트들의 패턴을 말함. 수신기는 이 특정 순서의 비트 패턴을 찾아서 1개의 프레임을 정확히 인지하고, 수신되는 비트들을 제어 문자나 데이터 문자들과 동기화하며 동작할 수 있다.[네이버 지식백과] (IT용어사전, 한국정보통신기술협회)

Stock photo: Communication satellite transmitting signal, 3d rendered image.

각 순서에는 위성의 거리와 속도에 대한 단서도 포함되어 있다. 험프리스는 스타링크 위성이 밀리초마다 약 4개의 시퀀스를 전송하기 때문에 "위치 지정을 위해 시스템을 이중으로 사용하는 것*은 멋진 일입니다"라고 말한다.   

* 스타링크의 원래의 목적인 위성통신과 별개로 험프리스가 GPS 용도로 활용 할 수도 있다는 것을 의미하는 것으로 판단됨

만약 지상 수신기가 위성들의 움직임을 잘 알고 있다면(SpaceX는 궤도 충돌의 위험을 줄이기 위해 온라인으로 공유한다), 그것은 그들이 어떤 위성에서 왔는지를 알아내고 그 위성까지의 거리를 계산하기 위해 시퀀스의 규칙성을 사용할 수 있다. 험프리스는 여러 위성에 대해 이 과정을 반복함으로써 수신기가 약 30미터 이내에 위치할 수 있다고 말한다.

만약 스페이스X가 나중에 각 위성의 정확한 위치에 대한 추가 데이터를 다운링크*에 포함시켜 협력하기로 결정한다면, 그 정확도는 이론적으로 1미터 미만으로 향상되어 GPS와 경쟁할 수 있을 것이다.

* 우주나 항공기에서 보내오는 정보를 받기 위한 통신 링크

다른 연구자들 역시 비슷한 길을 걸어왔다. Jak Kassas는 오하이오 주립 대학교 전기 및 컴퓨터 공학부의 교수이며 내비게이션 복원력에 중점을 둔 미국 교통부 센터장이다. 작년에, 그의 팀은 스타링크 신호가 부분적으로 기계 학습을 사용하여 위치 결정에 사용될 수 있다는 것을 처음으로 입증했다.

 

그가 인지 기회주의적 네비게이션이라고 부르는 카사스의 접근 방식은 위성이 머리 위를 이동할 때 발생하는 신호의 주기 및 주파수 변화를 분석한다. 수신기는 또한 동기화 시퀀스를 사용하여 위성의 궤도를 학습하고 추적한다. 다중 위성 통과를 통해 수신기는 궁극적으로 자신의 위치를 계산한다. 최근 컨퍼런스에서 카사스는 자신의 시스템이 현재 스타링크와 함께 10미터 미만의 정확도를 달성했다고 주장했다. "그것은 매우 일반적인 체계이기 때문에 우리는 그것을 다른 지상 또는 외계 신호에도 적용할 수 있습니다."라고 그는 말한다. "그것은 즉각적인 학습을 통해, 무엇이 전송되고 있는지 알려주고, 당신이 어디에 있는지 알려줄 것입니다."

 

스타링크의 신호에 대한 완전한 이해는 네비게이션 이상의 의미를 갖는다. 예를 들어, 스타링크 위성은 현재 스페이스X에 허가된 8개의 채널 중 2개를 사용하지 않는 것으로 보인다. 험프리스는 머스크가 근처 주파수에서 작동하는 전파 망원경을 방해하지 않으려고 하기 때문일 수 있다고 추측한다. 궤도를 선회하는 스타링크 위성의 밝은 줄무늬는 이미 광학천문학을 방해한다는 비난을 받고 있다.

 

UT Austin의 연구 결과는 또한 스타링크 자체에 대한 의도적인 간섭의 가능성을 나타낸다. 험프리스는 동기 시퀀스가 네비게이션에 대한 가능성을 가지고 있지만, 완전히 예측 가능하고 전체 위성에 걸쳐 사용된다는 사실은 보안 취약점이라고 지적한다. Psiaki는 "험프리는 이러한 시퀀스를 식별함으로써 네비게이션 커뮤니티에 큰 서비스를 제공했습니다."라고 말한다. "하지만 오픈 소스 시퀀스에서 작동하는 모든 내비게이션 시스템은 분명히 도용될 수 있습니다. 모든 사람이 그러한 신호를 탐지하고 가짜 신호를 생성하는 방법을 알 것이기 때문입니다."

스타링크는 지난 9월 말 우크라이나에서 음성 및 전자통신, 드론 비행, 포격 교정 등에 널리 사용되고 있는 통신장애를 겪은 것으로 알려졌다. 이번 정전사태가 러시아군의 방해 때문인지는 분명치 않지만 머스크는 지난주 트위터에 "러시아는 스타링크를 적극적으로 죽이려 하고 있습니다. 스페이스X는 방어를 위해 막대한 자원을 방어로 전용했습니다."

스타링크는 의심할 여지 없이 우크라이나의 구세주였다. 그러나 운영 중단에 대한 보고와 누가 스타링크 서비스에 비용을 지불할 것인지에 대한 지속적인 혼란은 스타링크 서비스의 미래에 대한 우려를 불러일으킨다.

험프리스는 "시간이 흐르고 스타링크에 대한 의존도가 깊어짐에 따라 우크라이나와 서방의 동맹국들은 스타링크에 대한 통제권이 거의 없고 그것에 대해 아는 것이 거의 없다는 것을 인정하게 되었다"고 말했다. "하지만 이제 수백만 명이 전파방해에 대한 복원력을 포함하여 스타링크 보안에 확정적 권리를 가지고 있습니다. 보안 평가는 신호 구조에 대한 명확한 이해에서 시작됩니다."

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