텍사스대학교 오스틴 캠퍼스(이하 ‘UT 오스틴’) 소속 토드 험프리스(Todd Humphreys)는 2년 전 일론 머스크의 스페이스X에 간단한 제안을 했다. 세계 최대 위성 통신 서비스 스타링크(Starlink) 소프트웨어를 약간 수정해서 점점 그 수가 늘어나고 있는 스타링크 ‘군집 위성(constellation)’이 인터넷 서비스 외에도 정확한 위치, 항법, 시각 정보까지 제공할 수 있게 하자는 것이었다. 험프리스는 자신의 연구에 연구비를 지원하는 미 육군의 취약한 GPS 시스템을 보완하고자 이런 제안을 했다.

험프리스에 따르면 당시 스페이스X의 임원들은 그의 제안에 호의적이었다. 그런데 윗선에서 들려온 이야기는 달랐다.

험프리스는 MIT 테크놀로지 리뷰에 “머스크가 우리와 대화한 임원들에게 ‘다른 지구저궤도(low Earth orbit, LEO) 위성 통신망이 모두 파산했으니 우리는 스페이스X가 파산하지 않는 데 집중해야 한다’며 ‘집중을 방해하는 그 어떤 일도 감당할 처지가 못 된다’고 말했다”고 밝혔다.

그러나 험프리스는 스페이스X 측의 거절을 그대로 받아들일 생각이 없었다.

지난 2년 동안 그의 연구팀은 UT 오스틴의 무선항법 연구실(Radionavigation Lab)에서 지구저궤도에 떠있는, 일명 ‘군집 위성’으로 불리는 스타링크 인터넷 위성 수천 대가 지상 수신기로 보내는 신호를 역설계(reverse-engineering)했다. 이제 그는 그의 연구팀이 문제를 해결했다고 말한다. 그는 지상 수신기와 스타링크 위성들의 연결을 지원하도록 설계된 군집 위성이 보내오는 정기적인 ‘무선 표지신호들(beacon signals)’이 위성항법시스템의 유용한 기초가 될 수 있다고 믿는다.

그는 무엇보다도 스페이스X로부터 전혀 도움을 받지 않고서도 이 방법을 찾아낼 수 있었다는 점에서 의미를 찾았다.

험프리스는 최근 무료 논문 저장 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 올린 논문에서 지금까지 나온 논문 중에서 이번 논문이 스타링크 신호의 특성을 가장 완벽하게 설명했다고 주장한다. 아직 동료평가를 거치지 않은 이 논문에서 그는 제공하는 정보가 GPS나 유럽, 러시아, 중국의 위성항법시스템과 별도로 작동하는 새로운 글로벌 위성항법기술을 개발하기 위한 첫 단계라고 평가했다.

험프리스는 “스타링크 시스템 신호는 철저히 보호되는 비밀”이라며 “스페이스X가 조금 더 협조적이었던 우리의 처음 논의에서도 스페이스X는 스타링크 신호 구조의 어떤 부분도 우리에게 공개하지 않았다. 우리는 신호를 엿듣기 위해 기본적으로 작은 전파망원경을 만들면서 처음부터 시작해야 했다”고 밝혔다.

프로젝트를 시작하기 위해 UT 오스틴은 스타링크 단말기를 구매했다. 그리고 유튜브에서 라파엘 나달(Rafael Nadal)의 고화질 테니스 영상을 스트리밍하는 데 사용했다. 이것은 근처에 따로 떨어져 있는 안테나가 엿들을 수 있는 일정한 스타링크 신호 소스를 제공했다.

험프리스는 스타링크가 ‘직교 주파수 분할 다중화 방식(orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)’이라는 기술을 사용한다는 것을 빠르게 간파했다. 원래 1960년대에 벨 연구소(Bell Labs)에서 개발한 OFDM은 디지털 전송을 인코딩하는 효율적인 방법으로 현재 와이파이(Wi-Fi)와 5G에서 사용된다. 버지니아공과대학의 GPS 전문가이자 항공우주학 교수 마크 시아키(Mark Psiaki)는 “OFDM은 대단한 인기를 누리고 있다”며 “주어진 대역폭에 초당 가장 많은 비트를 채우는 방법”이라고 설명했다.

UT 오스틴 연구원들은 스타링크의 암호를 해독하거나 위성에서 내려오는 사용자 데이터에 접근하려고 시도하지 않았다. 대신에 그들은 동기화 시퀀스(synchronization sequence)를 찾았다. 이는 수신기들이 위성에 맞춰 조정될 수 있도록 궤도에 있는 위성들이 전송하는 예측 가능하고 반복적인 신호를 의미한다. 험프리스는 해당 시퀀스를 찾아냈다. 그리고 그는 “우리는 위성들이 요구되는 기준보다 더 많은 동기화 시퀀스를 전송한다는 것을 발견하고 놀라면서도 기쁨을 감출 수 없었다”고 말했다.

각 시퀀스에는 위성의 거리와 속도에 대한 단서도 포함되어 있다. 험프리스는 스타링크 위성이 1ms(밀리초)마다 약 4개의 시퀀스를 전송하기 때문에 “위치정보를 위해 스타링크 시스템을 이중으로 사용하기에도 매우 좋다”고 말했다.

만약 지상 수신기가 위성들의 움직임을 잘 알고 있다면(스페이스X는 궤도 충돌 위험을 줄이기 위해 온라인에 해당 정보를 공유한다) 시퀀스의 규칙성을 이용하여 어떤 위성에서 시퀀스가 왔는지 알아내고 위성까지의 거리도 계산할 수 있다. 험프리스는 여러 위성에 대해서 이 과정을 반복한 결과 수신기가 30m 이내에서 자신의 위치를 파악할 수 있게 됐다고 밝혔다.

스페이스X가 나중에 각 위성의 정확한 위치에 대한 추가 데이터를 다운링크(downlink)에 포함시켜 협력하기로 결정하면 이론적으로는 위치 정확도가 1m 이내까지로 향상될 수 있다. 그러면 GPS와 경쟁할 수 있을 것이다. 스페이스X는 코멘트 요청에 응하지 않았다.

다른 연구원들도 이와 비슷한 경로를 걸어오고 있다. 자크 카사스(Zak Kassas)는 오하이오주립대학교의 전기 및 컴퓨터 공학부 교수이며 항법 복원에 집중하는 미국 교통부 센터의 센터장이다. 지난해 그의 연구팀은 부분적으로 머신러닝(machine learning)을 활용해서 스타링크 신호를 위치정보를 확보하는 데 사용할 수 있다는 것을 처음으로 입증했다.

카사스가 ‘인지적 기회주의 항법(cognitive opportunistic navigation)’이라고 부르는 이 접근법은 위성이 머리 위를 이동할 때 위성에서 보내는 신호의 주기 및 주파수 변화를 분석한다. 수신기 또한 동기화 시퀀스를 사용하여 위성의 궤도를 학습하고 추적한다. 많은 위성이 지나가면 수신기는 결국 자신의 위치를 계산한다. 최근 열린 콘퍼런스에서 카사스는 자신의 시스템이 이제 스타링크를 활용해서 10m 미만의 정확도를 달성했다고 주장했다. 그는 “이것은 매우 일반적인 시스템이어서 어떤 지상 또는 외계 신호에도 적용할 수 있다”며 “시스템은 상황에 따라 학습하고 무엇이 전송되고 있는지 말해주며 위치를 알려준다”고 말했다.

스타링크 신호를 더 완전히 이해하면 위성항법시스템을 뛰어넘어 다른 부분들까지도 생각해볼 수 있게 된다. 예를 들어 스타링크 위성은 현재 스페이스X가 허가받은 8개 채널 중 2개를 사용하지 않는 것으로 보인다. 이에 대해 험프리스는 머스크가 주변 주파수에서 작동하는 전파망원경을 방해하지 않기 위해서 그런 선택을 했을 수도 있다고 추측한다. 선회하는 스타링크 위성의 밝은 줄무늬들은 이미 광학천문학을 방해한다는 비난을 받고 있다.

UT 오스틴의 발견은 스타링크 자체에 대한 의도적인 개입의 가능성도 보여준다. 험프리스는 동기화 시퀀스를 GPS로 활용할 가능성이 있기는 하지만, 동기화 시퀀스가 완전히 예측 가능하고 전체 위성에 걸쳐 사용된다는 사실이 보안 취약점이라고 언급했다. 시아키는 “험프리스가 동기화 시퀀스를 식별하면서 위성항법 커뮤니티에 큰 도움을 줬다”고 말했다. 그러면서 그는 “하지만 오픈소스 시퀀스로 작동하는 위성항법시스템에는 분명히 스푸핑(spoofing)의 위험이 있다. 해당 신호를 어떻게 탐지하고 가짜 신호를 만드는지 모두가 알기 때문”이라고 지적했다.

스타링크는 9월 말 우크라이나에서 심각한 통신 장애를 겪었던 것으로 보도됐다. 우크라이나에서 스타링크는 음성통신 및 전자통신, 드론 비행, 심지어 포격 교정에까지 광범위하게 사용되고 있다. 이번 통신장애가 러시아 군대의 방해 때문인지는 분명하지 않지만 머스크는 트위터에서 “러시아는 스타링크를 없애기 위해 적극적으로 시도하고 있다. 스타링크 보호를 위해 스페이스X는 막대한 자원을 방어에 투입했다”는 글을 남겼다.

스타링크는 의심할 여지 없이 우크라이나의 구세주였다. 그러나 통신장애와 그곳에서 스타링크 서비스 비용을 누가 지불할 것인지에 대한 지속적인 혼란이 미래에 대한 우려를 불러일으키고 있다.

험프리스는 “시간이 흐르고 스타링크에 대한 의존도가 커지면서 우크라이나와 서방의 동맹국들은 자신들에게 스타링크에 대한 통제권이 거의 없고 아는 바도 거의 없다는 것을 인정하게 되었다”며 “하지만 이제 수백만 명이 전파방해에 대한 복원력 등 스타링크 보안에 관심을 가지고 있다. 보안에 대한 평가는 신호 구조에 대한 명확한 이해에서 시작된다”고 말했다.