Резервная навигационная система удерживает самолет на курсе, когда GPS недоступен

Моушн-дизайн INSIDER

Слева направо:инженер-электрик Национальной лаборатории Сандии Прабод Джахвери, стажер Уилл Барретт, технолог Майкл Флейги и стажер Саммер Чарновски готовят полезную нагрузку для запуска метеозонда. (Изображение:Крейг Фриц)

Пара антенн, свисающая с метеозонда на высоте 80 000 футов над Нью-Мексико, торчит из пенополистирольного холодильника. Антенны отслеживают сигналы, которые могут сделать авиаперелеты безопаснее.

Исследователи из Национальной лаборатории Сандии и Университета штата Огайо поднимают в небо экспериментальную навигационную технологию, создавая резервную систему, позволяющую удерживать самолет на курсе, когда он не может полагаться на спутники глобальной системы позиционирования.

Более чем в 15 милях под плавучим охладителем вышки сотовой связи излучают устойчивый гул радиочастотных волн. На высоте в сотни миль спутники связи без GPS делают то же самое. Идея состоит в том, чтобы использовать эти альтернативные сигналы для расчета положения и скорости автомобиля.

«Мы не пытаемся заменить GPS», — сказала ведущий исследователь Sandia Дженнифер Сандерсон. «Мы просто пытаемся помочь ему в ситуациях, когда он ухудшен или скомпрометирован», что может привести к опасным ситуациям для пилотов и пассажиров.

Нет сомнений в том, что GPS по-прежнему остается золотым стандартом навигации. Это быстро, точно и надежно. Возникает вопрос:почему исследователи разрабатывают новые методы навигации? "Меня беспокоит возможность слишком полагаться на него без резервной копии", - говорит Сандерсон, эксперт по навигационным алгоритмам.

GPS, по ее словам, стала частью нашего современного технологического мира. Как общество, мы постоянно подключены к нему, садимся ли мы в самолет, едем по городу, составляем карту урожайности или рассчитываем время сделок на фондовых рынках. Такая зависимость заставляет таких исследователей, как Сандерсон, беспокоиться о последствиях разрыва соединения.

«Последствия потери GPS могут ощущаться во всем обществе», — сказала она. Сбои в работе GPS не редкость. Пилоты, летающие вблизи зон конфликта, все чаще теряют GPS или обнаруживают, что он ненадежен. Чем дольше они летают без GPS, тем выше риск аварий.

«Коммерческие GPS-приемники подвержены нескольким различным угрозам, одна из которых — помехи», — сказал Сандерсон. Глушители, устройства, которые перегружают приемники бессмысленными сигналами на частотах GPS, запрещены законом, но коммерчески доступны.

Еще одной проблемой, по ее словам, является спуфинг, который предполагает использование фальшивого сигнала, чтобы ввести получателей в заблуждение, заставив их поверить, что они находятся в другом месте. Эта техника не является секретом, поскольку игровые сообщества используют ее для мошенничества в играх, основанных на определении местоположения, таких как Pokémon Go.

«Вы можете скачать реальные приложения, которые позволяют подделывать ваше местоположение, а также целые субреддиты, посвященные тому, как использовать их в различных играх», — сказал Сандерсон.

Хотя подделка игры может быть относительно безвредной, Сандерсон подчеркнул, что она может иметь реальные последствия, если ее направить на транспортное средство. Пилоты могут быть не в состоянии определить, является ли сигнал поддельным или подлинным, что уводит их в неправильном направлении.

Идея Сандерсона о навигации с использованием сигналов, отличных от GPS, которые оказались поблизости, не совсем нова. Ученые называют это «сигналами возможностей», но в основном изучали их на земле и вблизи нее. Это было предложено для беспилотных транспортных средств, позволяющих перемещаться по городским каньонам, где сигналы GPS блокируются высокими зданиями.

Однако это непростая задача. Вместо извлечения информации о времени и местоположении из сигнала GPS приемники сигналов возможности иногда вместо этого измеряют физические характеристики радиочастотных волн.

Например, они могут использовать эффект Доплера. Радиоволны от спутника, движущегося к приемнику, по мере продвижения сжимаются, а радиоволны от удаляющегося спутника растягиваются. С помощью продвинутой математики и достаточного количества сигналов учёные смогут определить источник сигналов и вычислить положение приёмника.

Сандерсон и ее команда изучают возможность навигации на больших высотах. Если они смогут собирать данные сигналов из стратосферы, они смогут разработать способ управления транспортными средствами, например самолетами, с использованием сети атмосферных радиочастотных волн. «Итак, мы прикрепляем нашу полезную нагрузку к этим метеозондам и запускаем их в воздух», — сказала она.

Полезная нагрузка, состоящая из электронных блоков, прикрепленных к паре антенн и помещенных в изолированный пенопластовый охладитель, является ключом к пониманию сигналов высоко над облаками. Ожидается, что спутниковые сигналы будут сильными, но могут быть мертвые зоны из-за конусообразной схемы передачи, которая сужается ближе к источнику. Спутниковое покрытие сельских районов, таких как большая часть Нью-Мексико, может быть слишком спорадическим, чтобы быть полезным. Силу сигналов вышек сотовой связи можно рассчитать теоретически, но ее необходимо охарактеризовать, чтобы она была полезна в реальной ситуации.

"На данный момент максимальная высота, которой мы достигли, составляет около 80 000 футов. Для сравнения, другие исследования, которые мы видели, были сосредоточены на высотах от 5 000 до 7 000 футов".

«Очень важная сторона навигации — это понимание всех источников ошибок», — сказал Сандерсон. «Моя цель — иметь надежный набор данных для разработки алгоритмов для систем реального времени, позволяющих проводить испытания оборудования с использованием реальных данных реального неба».

В конце концов, функциональная навигационная система должна будет сопоставлять сигналы со своими передатчиками в режиме реального времени, а затем рассчитывать положение и скорость относительно этих источников. Однако на этом раннем этапе исследования ее команда вручную сопоставляет полученные сигналы с ближайшими спутниками, используя справочные данные. "Это может быть довольно утомительно. Поэтому нам нужно решить один важный аспект — автоматизировать этот процесс", — сказала она.

"Хотя мы все еще обрабатываем полетные данные, мы считаем, что наши предварительные результаты показывают, что мы обнаружили сигнальные маяки вышек сотовой связи на нашей максимальной высоте около 82 000 футов. Если эти сигналы будут достаточно чистыми для навигации, это значительно изменит то, что мы считали возможным для альтернативной навигации", - сказал Сандерсон.

Источник