Redundant Navigatiesysteem Houdt Vliegtuigen Op Koers Zonder GPS

Motion Design INSIDER

Van links naar rechts: Sandia National Laboratories elektrisch ingenieur Prabodh Jahveri, stagiair Will Barrett, technoloog Michael Fleigie, en stagiair Summer Czarnowski bereiden een payload voor voor een weerballonlancering. (Afbeelding: Craig Fritz)

Hangend aan een weerballon op 80.000 voet boven New Mexico, steken een paar antennes uit een styrofoam koeler. De antennes luisteren naar signalen die luchtvaart veiliger kunnen maken.

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

Meer dan 15 mijl onder de zwevende koeler, zenden celluloze torens een constante zoem van radiofrequentie golven uit. Honderden mijlen erboven 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," zei Sandia-leidonderzoeker Jennifer Sanderson. "We proberen het alleen te assisteren in situaties waar het gedegradeerd of gecompromitteerd is," wat gevaarlijke situaties voor piloten en passagiers kan opleveren.

Er is geen twijfel dat GPS nog steeds de gouden standaard is voor navigatie. Het is snel, precies en betrouwbaar. Wat de vraag kan oproepen: waarom ontwikkelen onderzoekers nieuwe navigatiemethoden? "Ik maak me zorgen over te zwaar te vertrouwen op het zonder een back-up," zei Sanderson, een expert in navigatie-algoritmen.

GPS, zei ze, is onderdeel geworden van het weefsel van onze moderne, technologische wereld. Als samenleving zijn we constant aangesloten op het, of we nu een vliegtuig landen, door de stad rijden, gewasopbrengsten karteren of transacties timen op beurzen. Deze afhankelijkheid heeft onderzoekers als Sanderson bezorgd over de gevolgen als de verbinding wordt onderbroken.

"De impact van het verlies van GPS kan zich door de hele samenleving voelen," zei ze. Storingen van GPS zijn niet ongebruikelijk. Piloten die vliegen nabij conflictgebieden zijn steeds waarschijnlijker GPS te verliezen of te ontdekken dat het onbetrouwbaar is. Hoe langer ze zonder GPS vliegen, hoe hoger het risico op ongevallen.

"Commerciële GPS-ontvangers zijn vatbaar voor een paar verschillende dreigingen, een daarvan is jamming," zei Sanderson. Jammers, apparaten die ontvangers overweldigen met zinloze signalen op GPS-frequenties, zijn illegaal maar commercieel verkrijgbaar.

Een ander probleem, zei ze, is spoofing, wat inhoudt dat een vals signaal gebruikt wordt om ontvangers te misleiden in het geloven dat ze op een andere locatie zijn. De techniek is geen geheim, aangezien gaming communities het gebruiken om te cheaten in locatie-gebaseerde spellen als Pokémon Go.

"Er zijn echte apps die je kunt downloaden die je toestaan je locatie te spoofen, en hele subreddits gewijd aan het tonen van hoe je het voor verschillende spellen kunt gebruiken," zei Sanderson.

Terwijl het spoofen van een spel relatief onschadelijk kan zijn, benadrukte Sanderson dat het echte gevolgen kan hebben wanneer gericht op een voertuig. Piloten kunnen niet vertellen of een signaal gespoofd of echt is, wat ze in de verkeerde richting kan leiden.

Sandersons idee van navigeren met niet-GPS signalen die toevallig in de buurt zijn, is niet volledig nieuw. Wetenschappers verwijzen ernaar als "signals of opportunity" maar hebben het primair bestudeerd op en nabij de grond. Het is voorgesteld als een manier voor autonome voertuigen om te navigeren door stedelijke canyons, waar GPS-signalen geblokkeerd worden door torenhoge gebouwen.

Echter, het is geen eenvoudige taak. In plaats van tijd- en locatie-informatie uit een GPS-signaal te extraheren, meten ontvangers van signals-of-opportunity soms de fysieke kenmerken van radiofrequentie golven.

Bijvoorbeeld, ze kunnen het Doppler-effect gebruiken. Radiogolven van een satelliet die naar een ontvanger beweegt, worden gecomprimeerd tijdens het reizen, terwijl radiogolven van een satelliet die wegbeweegt, uitgerekt worden. Met 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 signals-of-opportunity navigatie op hoge hoogtes. Als ze signaaldata uit de stratosfeer kunnen verzamelen, kunnen ze misschien een manier ontwikkelen om voertuigen, zoals vliegtuigen, te sturen met een netwerk van atmospherische radiofrequentie golven. "Dus, we spannen onze payloads aan deze weerballons en lanceren ze in de lucht," zei ze.

De payloads, die bestaan uit elektronische pakketten bevestigd aan een paar antennes en gebundeld in een geïsoleerde schuimkoeler, houden de sleutel tot het begrijpen van signalen hoog boven de wolken. Satelliet signalen worden verwacht sterk te zijn, maar er kunnen dode zones zijn door het kegelvormige transmissiepatroon dat nauwer wordt dichter bij de bron. Satellietdekking over landelijke gebieden, zoals veel van New Mexico, kan te sporadisch zijn om nuttig te zijn. De sterkte van celluloze torensignalen kan theoretisch berekend worden, maar moet gekarakteriseerd worden om nuttig te zijn in een real-world situatie.

"Tot nu toe is de hoogste hoogte die we bereikt hebben ongeveer 80.000 voet. In vergelijking, andere studies die we gezien hebben, focuseren op 5.000 tot 7.000 voet."

"De erg belangrijke kant van navigatie is al uw foutenbronnen begrijpen," zei Sanderson. "Mijn doel is om een robuuste dataset te hebben om algoritmes voor real-time systemen te ontwikkelen, wat hardwaretests met echte live-sky data mogelijk maakt."

Uiteindelijk zal een functioneel navigatiesysteem signalen moeten matchen met hun zenders in real-time en dan positie en snelheid berekenen ten opzichte van die bronnen. Echter, in dit vroege stadium van het onderzoek, matched haar team handmatig ontvangen signalen met nabijgelegen satellieten met referentiedata. "Het kan behoorlijk saai zijn. Dus, een groot aspect dat we moeten adresseren is dit proces te automatiseren," zei ze.

"Terwijl we nog de vluchtdata verwerken, geloven we dat onze voorlopige bevindingen indiceren dat we celluloze toren signaalbeacons hebben gedetecteerd op onze piekhoogte van ongeveer 82.000 voet. Als deze signalen schoon genoeg zijn voor navigatie, zal dit significant veranderen wat we dachten wat mogelijk was voor alternatieve navigatie," zei Sanderson.

Bron