Das redundante Navigationssystem hält das Flugzeug auf Kurs, wenn kein GPS verfügbar ist

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Von links nach rechts:Der Elektroingenieur Prabodh Jahveri von den Sandia National Laboratories, der Praktikant Will Barrett, der Technologe Michael Fleigie und der Praktikant Summer Czarnowski bereiten eine Nutzlast für den Start eines Wetterballons vor. (Bild:Craig Fritz)

An einem Wetterballon 80.000 Fuß über New Mexico baumeln zwei Antennen, die aus einem Styroporkühler herausragen. Die Antennen lauschen auf Signale, die den Flugverkehr sicherer machen könnten.

Forscher der Sandia National Laboratories und der Ohio State University bringen experimentelle Navigationstechnologie in den Himmel und entwickeln ein Backup-System, um ein Flugzeug auf Kurs zu halten, wenn es sich nicht auf Satelliten des globalen Positionierungssystems verlassen kann.

Mehr als 24 Kilometer unter dem schwimmenden Kühler senden Mobilfunkmasten ein stetiges Summen von Hochfrequenzwellen aus. In Hunderten von Kilometern Höhe tun Kommunikationssatelliten ohne GPS dasselbe. Die Idee besteht darin, diese alternativen Signale zu verwenden, um die Position und Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu berechnen.

„Wir versuchen nicht, GPS zu ersetzen“, sagte Jennifer Sanderson, leitende Forscherin bei Sandia. „Wir versuchen lediglich, es in Situationen zu unterstützen, in denen es beeinträchtigt oder beeinträchtigt ist“, was zu gefährlichen Situationen für Piloten und Passagiere führen kann.

Es besteht kein Zweifel, dass GPS immer noch der Goldstandard für die Navigation ist. Es ist schnell, präzise und zuverlässig. Was die Frage aufwerfen könnte:Warum entwickeln Forscher neue Navigationsmethoden? „Ich mache mir Sorgen, dass ich mich ohne Backup zu sehr darauf verlassen könnte“, sagte Sanderson, Experte für Navigationsalgorithmen.

GPS, sagte sie, sei zu einem festen Bestandteil unserer modernen, technologischen Welt geworden. Als Gesellschaft sind wir ständig damit verbunden, egal ob wir ein Flugzeug landen, durch die Stadt fahren, Ernteerträge kartieren oder Transaktionen an den Aktienmärkten steuern. Dieses Vertrauen bereitet Forschern wie Sanderson Sorgen über die Folgen, wenn die Verbindung unterbrochen wird.

„Die Auswirkungen des Verlusts von GPS waren in der gesamten Gesellschaft spürbar“, sagte sie. Störungen des GPS sind keine Seltenheit. Bei Piloten, die in der Nähe von Konfliktgebieten fliegen, ist es immer wahrscheinlicher, dass sie ihr GPS verlieren oder feststellen, dass es unzuverlässig ist. Je länger sie ohne GPS fliegen, desto höher ist das Unfallrisiko.

„Kommerzielle GPS-Empfänger sind verschiedenen Bedrohungen ausgesetzt, darunter Störungen“, sagte Sanderson. Störsender, Geräte, die Empfänger mit bedeutungslosen Signalen auf GPS-Frequenzen überfluten, sind illegal, aber im Handel erhältlich.

Ein weiteres Problem, sagte sie, sei das Spoofing, bei dem ein gefälschtes Signal verwendet werde, um den Empfängern vorzutäuschen, dass sie sich an einem anderen Ort befänden. Die Technik ist kein Geheimnis, da Gaming-Communities sie zum Betrügen in ortsbasierten Spielen wie Pokémon Go nutzen.

„Sie können echte Apps herunterladen, mit denen Sie Ihren Standort fälschen können, und ganze Subreddits, die Ihnen zeigen, wie Sie ihn für verschiedene Spiele verwenden können“, sagte Sanderson.

Während das Spoofing eines Spiels relativ harmlos sein kann, betonte Sanderson, dass es Konsequenzen für die reale Welt haben kann, wenn es gegen ein Fahrzeug gerichtet ist. Piloten können möglicherweise nicht erkennen, ob ein Signal gefälscht oder echt ist, was sie in die falsche Richtung führt.

Sandersons Idee, mithilfe zufällig in der Nähe befindlicher Nicht-GPS-Signale zu navigieren, ist nicht ganz neu. Wissenschaftler bezeichnen es als „Signale der Gelegenheit“, haben es aber hauptsächlich am Boden und in Bodennähe untersucht. Es wurde als Möglichkeit für autonome Fahrzeuge vorgeschlagen, durch städtische Schluchten zu navigieren, in denen GPS-Signale durch hoch aufragende Gebäude blockiert werden.

Es ist jedoch keine einfache Aufgabe. Anstatt Zeit- und Standortinformationen aus einem GPS-Signal zu extrahieren, messen Empfänger von Gelegenheitssignalen manchmal stattdessen die physikalischen Eigenschaften von Hochfrequenzwellen.

Sie können beispielsweise den Doppler-Effekt nutzen. Radiowellen von einem Satelliten, der sich auf einen Empfänger zubewegt, werden auf ihrem Weg komprimiert, während Radiowellen von einem Satelliten, der sich wegbewegt, gedehnt werden. Mit etwas fortgeschrittener Mathematik und genügend Signalen können Wissenschaftler die Quelle der Signale bestimmen und die Position des Empfängers berechnen.

Sanderson und ihr Team untersuchen die Navigation mit Gelegenheitssignalen in großen Höhen. Wenn sie Signaldaten aus der Stratosphäre sammeln können, können sie möglicherweise eine Möglichkeit entwickeln, Fahrzeuge wie Flugzeuge mithilfe eines Netzwerks atmosphärischer Hochfrequenzwellen zu steuern. „Also befestigen wir unsere Nutzlasten an diesen Wetterballons und lassen sie in die Luft steigen“, sagte sie.

Die Nutzlasten, die aus elektronischen Paketen bestehen, die an zwei Antennen befestigt und in einem isolierten Schaumstoffkühler gebündelt sind, sind der Schlüssel zum Verständnis von Signalen hoch über den Wolken. Es wird erwartet, dass die Satellitensignale stark sind, aufgrund des kegelförmigen Übertragungsmusters, das sich näher an der Quelle verengt, kann es jedoch zu toten Zonen kommen. Die Satellitenabdeckung ländlicher Gebiete, wie etwa eines Großteils von New Mexico, ist möglicherweise zu sporadisch, um nützlich zu sein. Die Stärke von Mobilfunkmastsignalen kann theoretisch berechnet werden, sie muss jedoch charakterisiert werden, um in einer realen Situation nützlich zu sein.

„Bisher beträgt die höchste Höhe, die wir erreicht haben, etwa 80.000 Fuß. Im Vergleich dazu haben sich andere Studien, die wir gesehen haben, auf 5.000 bis 7.000 Fuß konzentriert.“

„Der sehr wichtige Aspekt der Navigation besteht darin, alle Fehlerquellen zu verstehen“, sagte Sanderson. „Mein Ziel ist es, über einen robusten Datensatz zu verfügen, um Algorithmen für Echtzeitsysteme zu entwickeln und Hardwaretests mit tatsächlichen Live-Sky-Daten zu ermöglichen.“

Letztendlich muss ein funktionierendes Navigationssystem die Signale in Echtzeit an ihre Sender anpassen und dann Position und Geschwindigkeit relativ zu diesen Quellen berechnen. Allerdings gleicht ihr Team in diesem frühen Stadium der Forschung die empfangenen Signale mithilfe von Referenzdaten manuell mit nahegelegenen Satelliten ab. „Das kann ziemlich mühsam sein. Ein wichtiger 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 Signalbaken von Mobilfunkmasten in unserer Spitzenhöhe von etwa 82.000 Fuß entdeckt haben. Wenn diese Signale für die Navigation sauber genug sind, wird dies das, was wir für eine alternative Navigation für möglich hielten, erheblich verändern“, sagte Sanderson.

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