Підвішена на висоті 80 000 футів над Нью-Мексико на метеорологічній кулі, пара антен стирчить з охолоджувача з пінопласту, уважно слухаючи сигнали, які можуть підвищити безпеку авіаперельотів. З цієї висоти видно перехід між блакитною атмосферою Землі та темрявою космосу, але в центрі уваги цих антен не краєвид, а експериментальна технологія навігації, яку випробовують дослідники з Сандійської національної лабораторії та Університету штату Огайо.
Мета — розробити резервну систему, яка могла б утримувати літаки на курсі, коли сигнали GPS недоступні або ненадійні.
Сигнали мобільних телефонів на допомогу GPS
Ідея цього дослідження полягає у використанні альтернативних сигналів — радіочастот з веж стільникового зв’язку та супутників зв’язку, що не працюють на основі GPS — для обчислення місцезнаходження та швидкості транспортного засобу.
«Ми не намагаємося замінити GPS, — каже Дженніфер Сандерсон, провідний дослідник Sandia. «Ми лише намагаємося допомогти їй у ситуаціях, коли вона погіршується або компрометується», що може становити небезпеку для пілотів і пасажирів, якщо її не вирішити.
Чому варто розглянути можливість створення резервної копії GPS?
GPS залишається золотим стандартом навігації завдяки своїй швидкості, точності та надійності, тож навіщо шукати альтернативи? «Я боюся занадто сильно покладатися на нього без резервного копіювання», — пояснив Сандерсон, експерт з навігаційних алгоритмів.
GPS глибоко вкоренилася в сучасному світі, впливаючи на різні види діяльності — від авіації до сільського господарства і фінансових операцій.
Така велика залежність викликає занепокоєння щодо впливу потенційних збоїв. «Втрата GPS може вплинути на все суспільство», — зазначив Сандерсон.
Перебої в обслуговуванні і безпека польотів
Перебої в роботі GPS не є рідкістю, особливо поблизу зон конфліктів, де пілоти можуть вважати GPS ненадійним або недоступним. Тривалі перебої в роботі GPS підвищують ризик аварій. Однією із загроз є глушіння GPS — пристрої, які випромінюють деструктивні сигнали на частотах GPS.
«Комерційні GPS-приймачі схильні до кількох різних загроз, однією з яких є глушіння», — сказав Сандерсон, додавши, що хоча такі пристрої є незаконними, їх все одно можна придбати.
Іншою проблемою є підміна, коли надсилаються неправдиві сигнали, щоб ввести в оману GPS-приймачі. Хоча спуфінг часто асоціюється з іграми, Сандерсон підкреслює, що в авіації він може мати серйозні наслідки.
«Пілоти можуть бути не в змозі визначити, чи є сигнал підробленим або справжнім, і це може привести їх у хибному напрямку», — каже вона.
Навігація за допомогою «сигналів можливостей»
Концепція використання не GPS-сигналів для навігації, відомих як «сигнали можливостей», не є абсолютно новою, але вона зазвичай вивчалася поблизу землі, наприклад, у міських районах, де будівлі блокують GPS-сигнали.
На відміну від GPS, де інформація про місцезнаходження вбудована в сигнал, сигнали можливостей часто вимагають вимірювання фізичних властивостей радіохвиль, наприклад, ефекту Доплера.
Коли супутник рухається до приймача, радіохвилі стискаються, а коли віддаляється — розтягуються. Використовуючи ці зміни, дослідники можуть обчислити своє місцезнаходження відносно джерела сигналу.
Команда Сандерсона є першопрохідцем у вивченні сигналів можливостей на значно більших висотах. Збираючи дані про сигнали зі стратосфери, вони сподіваються розробити метод навігації, який використовує мережу радіочастотних хвиль на цих висотах.
«Отже, ми прив’язуємо наше корисне навантаження до цих метеозондів і запускаємо їх у повітря», — пояснив Сандерсон. Це корисне навантаження складається з електронного обладнання, розміщеного в ізольованому пінопластовому охолоджувачі, що містить антени, які збирають дані високо над хмарами.
Нестабільні сигнали мобільних телефонів
Цей новий метод стикається з такими проблемами, як ідентифікація і характеристика сигналів супутників і стільникових веж на таких висотах. Хоча супутникові сигнали потужні, можуть виникати прогалини через конусоподібну форму діаграми спрямованості, яка звужується ближче до джерела.
Покриття в сільській місцевості, наприклад, у деяких районах Нью-Мексико, може бути непостійним. Рівень сигналу стільникових веж можна оцінити теоретично, але потрібно перевірити його в реальних умовах.
«Поки що найбільша висота, яку ми досягли, становить близько 80 000 футів. Для порівняння, інші дослідження, які ми бачили, були зосереджені на висоті від 5 000 до 7 000 футів», — сказав Сандерсон.
Точність у навігаційних дослідженнях
Оскільки команда продовжує аналізувати свої початкові дані, вони зосереджені на подоланні технічних проблем і вдосконаленні своїх методів.
Сандерсон підкреслив важливість точності в навігаційних дослідженнях. «Несексуальна, але дуже важлива сторона навігації — це розуміння всіх джерел помилок».
Її мета — створити комплексний набір даних, який можна використовувати для створення алгоритмів для навігаційних систем у реальному часі, що призведе до апаратних тестів з реальними даними, зібраними під час цих висотних польотів.
Майбутнє безпеки польотів
Ключовою частиною майбутнього проекту є розробка системи, яка може автоматично зіставляти вхідні сигнали з їхніми передавачами і розраховувати положення і швидкість транспортного засобу в реальному часі.
Наразі команда зіставляє сигнали з супутниками вручну, що забирає багато часу. «Це може бути досить нудно. Тому одним з важливих аспектів, над яким ми маємо працювати, є автоматизація цього процесу», — каже Сандерсон.
Незважаючи на ці труднощі, вчені залишаються сподіватися на потенціал своєї роботи.
«Хоча ми все ще обробляємо дані польоту, ми вважаємо, що наші попередні висновки вказують на те, що ми виявили сигнальні маяки веж стільникового зв’язку на нашій піковій висоті приблизно 82 000 футів», – зазначив Сандерсон.
«Якщо ці сигнали будуть достатньо чистими для навігації, це значно змінить те, що ми вважали можливим для альтернативної навігації».
Зусилля команди можуть прокласти шлях до надійної резервної навігаційної системи, яка забезпечить мережу безпеки для літаків у ситуаціях, коли GPS скомпрометовано, що зрештою підвищить авіаційну безпеку та стійкість. Попередні висновки команди були опубліковані на конференції Інституту навігації GNSS+ у Балтіморі, яка проходила з 16 по 20 вересня.