Redundantes Navigationssystem hält Flugzeuge auf Kurs bei GPS-Ausfall

Motion Design INSIDER

Von links nach rechts: Sandia National Laboratories Elektroingenieur Prabodh Jahveri, Praktikant Will Barrett, Technologe Michael Fleigie und Praktikantin Summer Czarnowski bereiten eine Nutzlast für einen Wetterballonstart vor. (Bild: Craig Fritz)

Experimentelle Navigationstechnologie in der Stratosphäre

An einem Wetterballon in 24.000 Metern (80.000 Fuß) Höhe über New Mexico baumelt ein Styropor-Kühler, aus dem ein Paar Antennen ragt. Die Antennen lauschen auf Signale, die die Flugsicherheit erhöhen könnten.

Forscher von Sandia National Laboratories und der Ohio State University bringen experimentelle Navigationstechnologie in die Lüfte und entwickeln ein Back-up-System, um ein Flugzeug auf Kurs zu halten, wenn es sich nicht auf GPS-Satelliten verlassen kann.

Mehr als 24 Kilometer (15 Meilen) unter dem schwebenden Kühler senden Mobilfunkmasten ein stetiges Rauschen von Hochfrequenzwellen aus. Hunderte Kilometer darüber tun dies Nicht-GPS-Kommunikationssatelliten ebenfalls. Die Idee: Diese alternativen Signale nutzen, um Position und Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu berechnen.

„Wir versuchen nicht, GPS zu ersetzen“, sagte Sandia-Leitforscherin Jennifer Sanderson. „Wir wollen es nur in Situationen unterstützen, in denen es degradiert oder kompromittiert ist“, was zu gefährlichen Situationen für Piloten und Passagiere führen kann.

Warum ein GPS-Back-up nötig ist

Es besteht kein Zweifel: GPS ist nach wie vor der Goldstandard für Navigation. Es ist schnell, präzise und zuverlässig. Was die Frage aufwirft: Warum entwickeln Forscher neue Navigationsmethoden? „Ich mache mir Sorgen, zu stark darauf zu vertrauen, ohne Backup“, sagte Sanderson, Expertin für Navigationsalgorithmen.

GPS, so Sanderson, ist Teil des Gefüges unserer modernen, technologischen Welt geworden. Als Gesellschaft sind wir ständig damit verbunden, ob wir ein Flugzeug landen, durch die Stadt fahren, Ernteerträge kartieren oder Transaktionen an Börsen timen. Diese Abhängigkeit bereitet Forschern wie Sanderson Sorge vor den Folgen einer Störung der Verbindung.

„Die Auswirkungen eines GPS-Verlusts könnten sich durch die gesamte Gesellschaft ziehen“, sagte sie. GPS-Störungen sind nicht ungewöhnlich. Piloten, die in der Nähe von Konfliktgebieten fliegen, verlieren zunehmend GPS oder stellen fest, dass es unzuverlässig ist. Je länger sie ohne GPS fliegen, desto höher das Unfallrisiko.

„Kommerzielle GPS-Empfänger sind für ein paar verschiedene Bedrohungen anfällig, eine davon ist Jamming“, sagte Sanderson. Jammer, Geräte, die Empfänger mit bedeutungslosen Signalen auf GPS-Frequenzen überfluten, sind illegal, aber kommerziell erhältlich.

Ein weiteres Problem, so Sanderson, ist Spoofing: die Verwendung eines gefälschten Signals, um Empfänger glauben zu machen, sie befänden sich an einem anderen Ort. Die Technik ist kein Geheimnis, da Gaming-Communities sie nutzen, um in ortsbasierten Spielen wie Pokémon Go zu schummeln.

„Es gibt tatsächliche Apps, die man herunterladen kann, um den eigenen Standort zu spoofen, und ganze Subreddits, die zeigen, wie man es für verschiedene Spiele nutzt“, sagte Sanderson.

Während Spoofing in einem Spiel relativ harmlos sein mag, betonte Sanderson, dass es reale Konsequenzen haben kann, wenn es gegen ein Fahrzeug gerichtet ist. Piloten könnten nicht unterscheiden, ob ein Signal gespooft oder echt ist, was sie in die falsche Richtung führen könnte.

Signals of Opportunity: Navigation mit Umgebungsfunk

Sandersons Idee, nicht-GPS-Signale zu nutzen, die zufällig in der Nähe sind, ist nicht völlig neu. Wissenschaftler bezeichnen dies als „Signals of Opportunity“, haben es aber primär am Boden und in Bodennähe untersucht. Es wurde als Möglichkeit vorgeschlagen, autonomen Fahrzeugen die Navigation in urbanen Canyons zu ermöglichen, wo GPS-Signale von hoch aufragenden Gebäuden blockiert werden.

Doch es ist keine einfache Aufgabe. Statt Zeit- und Positionsinformationen aus einem GPS-Signal zu extrahieren, messen Empfänger von Signals-of-Opportunity manchmal die physikalischen Eigenschaften von Hochfrequenzwellen.

Zum Beispiel können sie den Doppler-Effekt nutzen. Radiowellen von einem Satelliten, der sich auf einen Empfänger zubewegt, werden bei der Ausbreitung komprimiert, während Wellen von einem sich entfernenden Satelliten gestreckt werden. Mit fortgeschrittener Mathematik und ausreichend Signalen können Wissenschaftler die Quelle der Signale bestimmen und die Position des Empfängers berechnen.

Sanderson und ihr Team untersuchen Signals-of-Opportunity-Navigation in großen Höhen. Wenn sie Signaldaten aus der Stratosphäre sammeln können, könnten sie einen Weg entwickeln, Fahrzeuge wie Flugzeuge mittels eines Netzwerks atmosphärischer Hochfrequenzwellen zu führen. „Also schnallen wir unsere Nutzlasten an diese Wetterballons und lassen sie in die Luft steigen“, sagte sie.

Nutzlast & Messungen

Die Nutzlasten, bestehend aus Elektronikpaketen, die an ein Paar Antennen angebracht und in einen isolierten Styropor-Kühler gebündelt sind, halten den Schlüssel zum Verständnis von Signalen hoch über den Wolken. Satellitensignale werden stark erwartet, aber es kann tote Zonen aufgrund des kegelförmigen Übertragungsmusters geben, das sich der Quelle nähert verengt. Satellitenabdeckung über ländlichen Gebieten, wie weiten Teilen New Mexicos, könnte zu sporadisch sein, um nützlich zu sein. Die Stärke von Mobilfunksignalen kann theoretisch berechnet werden, muss aber für den realen Einsatz charakterisiert werden.

„Bisher haben wir eine Höhe von etwa 24.000 Metern (80.000 Fuß) erreicht. Im Vergleich dazu haben andere Studien, die wir gesehen haben, sich auf 1.500 bis 2.100 Meter (5.000 bis 7.000 Fuß) konzentriert.“

„Die sehr wichtige Seite der Navigation ist, alle Fehlerquellen zu verstehen“, sagte Sanderson. „Mein Ziel ist ein robuster Datensatz, um Algorithmen für Echtzeitsysteme zu entwickeln, die Hardwaretests mit tatsächlichen Live-Sky-Daten ermöglichen.“

Letztlich wird ein funktionales Navigationssystem Signale in Echtzeit ihren Sendern zuordnen und dann Position und Geschwindigkeit relativ zu diesen Quellen berechnen müssen. In diesem frühen Forschungsstadium ordnet ihr Team empfangene Signale jedoch manuell mithilfe von Referenzdaten nahen Satelliten zu. „Das kann ziemlich mühsam sein. Ein großer Aspekt, den wir angehen müssen, ist die Automatisierung dieses Prozesses“, sagte sie.

„Während wir die Flugdaten noch verarbeiten, glauben wir, dass unsere vorläufigen Ergebnisse darauf hindeuten, dass wir Mobilfunksignale in unserer Spitzenhöhe von etwa 25.000 Metern (82.000 Fuß) detektiert haben. Wenn diese Signale sauber genug für Navigation sind, wird das unsere Vorstellung davon, was für alternative Navigation möglich ist, erheblich verändern“, sagte Sanderson.

Quelle