Резервная навигационная система держит самолет на курсе при недоступности GPS

Motion Design INSIDER

Слева направо: инженер-электрик Sandia National Laboratories Прабодх Джавер, стажер Уилл Барретт, технолог Майкл Флейги, стажер Саммер Чарновски готовят полезную нагрузку для запуска метеорологического шара. (Изображение: Craig Fritz)

Вися на метеорологическом шаре на высоте 80 000 футов (24,4 км) над Нью-Мексико, пара антенн торчит из пенопластового холодильника. Антенны слушают сигналы, способные сделать авиаперелеты безопаснее.

Исследователи из Sandia National Laboratories и Ohio State University выводят экспериментальную навигационную технологию в небо, пионеря резервную систему для удержания самолета на курсе, когда нельзя полагаться на спутники GPS.

На 15+ миль (24+ км) ниже парящего холодильника сотовые базы излучают постоянный гул радиоволн. На сотни миль выше — не-GPS коммуникационные спутники делают то же. Идея — использовать эти альтернативные сигналы для расчета позиции и скорости летательного аппарата.

«Мы не пытаемся заменить GPS», — говорит ведущий исследователь Sandia Дженнифер Сандерсон. «Мы просто помогаем ему в ситуациях, когда он деградирован или скомпрометирован, что ведет к опасным ситуациям для пилотов и пассажиров».

Нет сомнений: GPS — золотой стандарт навигации. Быстрый, точный, надежный. Что может вызвать вопрос: зачем разрабатывать новые методы? «Беспокоюсь о чрезмерной зависимости без бэкапа», — говорит Сандерсон, эксперт по навигационным алгоритмам.

GPS, говорит она, стал тканью современного технологического мира. Мы постоянно в нем: посадка самолета, навигация в городе, картографирование урожаев, тайминг сделок на фондовых биржах. Эта зависимость волнует исследователей вроде Сандерсон последствиями разрыва связи.

«Последствия потери GPS могут быть ощущены во всем обществе». Сбои GPS не редкость. Пилоты у зон конфликтов все чаще теряют GPS или обнаруживают его недостоверность. Чем дольше летят без GPS, выше риск аварий.

«Коммерческие GPS-приемники уязвимы для пары угроз, одна — глушение», — говорит Сандерсон. Глушители, забивающие приемники бессмысленными сигналами на GPS-частотах, нелегальны, но коммерчески доступны.

Другая проблема — спуфинг (подмена): поддельный сигнал вводит приемники в заблуждение о местоположении. Техника не секрет, геймеры используют для читерства в Pokemon Go.

«Есть реальные приложения для скачивания, позволяющие спуфить локацию, целые сабреддиты, учащие, как использовать это в играх».

Пока спуфинг игры безобиден, Сандерсон подчеркивает: реальные последствия при атаке на транспорт. Пилоты могут не отличить спуфинг от настоящего сигнала, уводя в сторону.

Идея Сандерсон навигации по не-GPS сигналам, случайно находящимся рядом, не совсем новая. Ученые называют это «signals of opportunity», но изучали преимущественно на земле и у земли. Предлагали для автономных авто в городских каньонах, где GPS блокируют небоскребы.

Но задача не проста. Вместо извлечения времени и локации из GPS-сигнала, приемники signals-of-opportunity иногда измеряют физические характеристики радиоволн.

Например, эффект Допплера. Радиоволны от спутника, движущегося к приемнику, сжимаются, от удаляющегося — растягиваются. С продвинутой математикой и достаточным числом сигналов ученые могут определить источники и рассчитать позицию приемника.

Сандерсон и команда изучают signals-of-opportunity навигацию на больших высотах. Если соберут данные сигналов из стратосферы, смогут разработать способ наведения летательных аппаратов (самолетов) через сеть атмосферных радиоволн. «Поэтому мы крепим полезные нагрузки к метеорологическим шарам и запускаем их в небо».

Полезные нагрузки — электронные пакеты с парой антенн в изолированном пенопластовом холодильнике — ключ к пониманию сигналов высоко над облаками. Спутниковые сигналы ожидаются сильными, но могут быть мертвые зоны из-за конусного диаграммы направленности, сужающейся к источнику. Спутниковое покрытие над сельскими районами (как большинство Нью-Мексико) может быть слишком редким. Сила сигналов сотовых баз рассчитывается теоретически, но нужна характеристика для реального использования.

«На данный момент максимальная достигнутая высота ~80 000 футов. Другие исследования фокусировались на 5 000–7 000 футов».

«Очень важная сторона навигации — понимание всех источников ошибок», — говорит Сандерсон. «Моя цель — надежный датасет для разработки алгоритмов real-time систем, позволяющих аппаратные тесты на живых небесных данных».

В конечном счете функциональная навигационная система должна в реальном времени 매чить сигналы к их передатчикам и рассчитывать позицию и скорость относительно источников. Но на этом раннем этапе команда вручную матчит принятые сигналы к ближайшим спутникам по референсным данным. «Это довольно утомительно. Один большой аспект — автоматизация этого процесса».

«Пока еще обрабатываем полетные данные, но предварительные находки указывают на детектирование сигналов-маяков сотовых баз на пиковой высоте ~82 000 футов. Если сигналы достаточно чисты для навигации, это кардинально изменит представления о возможностях альтернативной навигации», — говорит Сандерсон.

Источник