Redundant navigatiesysteem houdt het vliegtuig op koers als GPS niet beschikbaar is

Bewegingsontwerp INSIDER

Van links naar rechts:elektrotechnisch ingenieur Prabodh Jahveri van Sandia National Laboratories, stagiair Will Barrett, technoloog Michael Fleigie en stagiair Summer Czarnowski bereiden een lading voor voor de lancering van een weerballon. (Afbeelding:Craig Fritz)

Uit een piepschuimkoeler bungelend aan een weerballon, 25.000 meter boven New Mexico, steken een paar antennes uit. De antennes luisteren naar signalen die het vliegverkeer veiliger kunnen maken.

Onderzoekers van Sandia National Laboratories en de Ohio State University brengen experimentele navigatietechnologie de lucht in en pionieren met een back-upsysteem om een vliegtuig op koers te houden wanneer het niet kan vertrouwen op satellieten van het mondiale positioneringssysteem.

Meer dan 24 kilometer onder de drijvende koeler zenden mobiele telefoonmasten een gestaag gezoem van radiofrequentiegolven uit. Honderden kilometers hoger doen niet-GPS-communicatiesatellieten hetzelfde. Het idee is om deze alternatieve signalen te gebruiken om de positie en snelheid van een voertuig te berekenen.

“We proberen GPS niet te vervangen”, zegt Sandia-hoofdonderzoeker Jennifer Sanderson. “We proberen het alleen maar te helpen in situaties waarin het beschadigd of aangetast is”, wat kan leiden tot gevaarlijke situaties voor piloten en passagiers.

Het lijdt geen twijfel dat GPS nog steeds de gouden standaard voor navigatie is. Het is snel, nauwkeurig en betrouwbaar. Dat zou de vraag kunnen oproepen:waarom ontwikkelen onderzoekers nieuwe navigatiemethoden? “Ik ben bang dat ik er te zwaar op moet vertrouwen zonder back-up”, zegt Sanderson, een expert in navigatie-algoritmen.

GPS, zei ze, is onderdeel geworden van het weefsel van onze moderne, technologische wereld. Als samenleving zijn we er voortdurend mee verbonden, of we nu een vliegtuig landen, door de stad rijden, de oogstopbrengsten in kaart brengen of transacties op de aandelenmarkten timen. Deze afhankelijkheid zorgt ervoor dat onderzoekers als Sanderson zich zorgen maken over de gevolgen als de verbinding wordt verbroken.

“De impact van het verlies van GPS zou in de hele samenleving voelbaar kunnen zijn”, zei ze. Storingen in de GPS zijn niet ongewoon. Piloten die in de buurt van conflictgebieden vliegen, lopen steeds meer kans hun GPS kwijt te raken of te ontdekken dat deze onbetrouwbaar is. Hoe langer ze zonder GPS vliegen, hoe groter de kans op ongelukken.

“Commerciële GPS-ontvangers zijn vatbaar voor een aantal verschillende bedreigingen, waaronder jamming”, aldus Sanderson. Jammers, apparaten die ontvangers overweldigen met betekenisloze signalen op GPS-frequenties, zijn illegaal maar in de handel verkrijgbaar.

Een ander probleem is volgens haar spoofing, waarbij een nepsignaal wordt gebruikt om ontvangers te misleiden door te laten geloven dat ze zich op een andere locatie bevinden. De techniek is geen geheim, aangezien gamegemeenschappen deze gebruiken om vals te spelen in locatiegebaseerde games zoals Pokémon Go.

“Er zijn daadwerkelijke apps die je kunt downloaden waarmee je je locatie kunt vervalsen, en hele subreddits die je laten zien hoe je deze voor verschillende games kunt gebruiken”, aldus Sanderson.

Hoewel het vervalsen van een game relatief onschadelijk kan zijn, benadrukte Sanderson dat het in de praktijk gevolgen kan hebben als het op een voertuig wordt gericht. Piloten kunnen mogelijk niet zien of een signaal vervalst of echt is, waardoor ze de verkeerde kant op worden geleid.

Sandersons idee om te navigeren met behulp van niet-GPS-signalen die toevallig in de buurt zijn, is niet geheel nieuw. Wetenschappers noemen het ‘signalen van kansen’, maar hebben het vooral op en nabij de grond bestudeerd. Het is voorgesteld als een manier voor autonome voertuigen om door stedelijke canyons te navigeren, waar GPS-signalen worden geblokkeerd door torenhoge gebouwen.

Het is echter geen eenvoudige taak. In plaats van tijd- en locatie-informatie uit een GPS-signaal te halen, meten ontvangers van kansensignalen soms de fysieke kenmerken van radiofrequentiegolven.

Ze kunnen bijvoorbeeld gebruik maken van het Dopplereffect. Radiogolven van een satelliet die naar een ontvanger beweegt, worden tijdens hun reis gecomprimeerd, terwijl radiogolven van een satelliet die weg beweegt, worden uitgerekt. Met wat geavanceerde wiskunde en voldoende signalen kunnen wetenschappers de bron van de signalen bepalen en de positie van de ontvanger berekenen.

Sanderson en haar team bestuderen navigatie met signalen van kansen op grote hoogte. Als ze signaalgegevens uit de stratosfeer kunnen verzamelen, kunnen ze mogelijk een manier ontwikkelen om voertuigen, zoals vliegtuigen, te geleiden met behulp van een netwerk van atmosferische radiofrequentiegolven. “Dus we binden onze lading aan deze weerballonnen en lanceren ze de lucht in,” zei ze.

De lading, die bestaat uit elektronische pakketten die aan een paar antennes zijn bevestigd en gebundeld in een geïsoleerde schuimkoeler, vormen de sleutel tot het begrijpen van signalen hoog boven de wolken. Er wordt verwacht dat satellietsignalen sterk zijn, maar er kunnen dode zones zijn vanwege het kegelvormige transmissiepatroon dat dichter bij de bron smaller wordt. Satellietdekking over landelijke gebieden, zoals een groot deel van New Mexico, is wellicht te sporadisch om bruikbaar te zijn. De sterkte van zendmastsignalen kan theoretisch worden berekend, maar moet worden gekarakteriseerd om bruikbaar te zijn in een praktijksituatie.

"Tot nu toe is de hoogste hoogte die we hebben bereikt ongeveer 25.000 meter. Ter vergelijking:andere onderzoeken die we hebben gezien, hebben zich geconcentreerd op 1.500 tot 2.000 meter."

“De zeer belangrijke kant van navigatie is het begrijpen van al je foutbronnen”, zegt Sanderson. “Mijn doel is om een robuuste dataset te hebben om algoritmen voor realtime systemen te ontwikkelen, waardoor hardwaretests mogelijk worden met behulp van daadwerkelijke live-sky-gegevens.”

Uiteindelijk zal een functioneel navigatiesysteem signalen in realtime moeten matchen met hun zenders en vervolgens de positie en snelheid ten opzichte van die bronnen moeten berekenen. In deze vroege fase van het onderzoek koppelt haar team de ontvangen signalen echter handmatig aan nabijgelegen satellieten met behulp van referentiegegevens. "Het kan behoorlijk vervelend zijn. Een groot aspect dat we moeten aanpakken is het automatiseren van dit proces", zei ze.

"Terwijl we de vluchtgegevens nog aan het verwerken zijn, denken we dat onze voorlopige bevindingen erop wijzen dat we signaalbakens van zendmasten hebben gedetecteerd op onze piekhoogte van ongeveer 25.000 meter. Als deze signalen schoon genoeg zijn voor navigatie, zal dit aanzienlijk veranderen wat we dachten dat mogelijk was voor alternatieve navigatie", aldus Sanderson.

Bron