آیا موبایل‌ها می‌توانند هواپیما را فرود بیاورند؟

پروژه‌ای برای ایمنی پرواز با استفاده از سیگنال‌های غیر GPS

در ارتفاع ۸۰،۰۰۰ فوتی بالای نیومکزیکو، یک جفت آنتن از یک خنک‌کننده استایروفوم آویزان است. از این ارتفاع، سیاهی فضا در برابر آسمان آبی زمین فشار می‌آورد. اما این آنتن‌ها تحت تأثیر منظره خیره‌کننده قرار ندارند. در عوض، آن‌ها به دنبال سیگنال‌هایی هستند که می‌تواند ایمنی سفرهای هوایی را افزایش دهد. محققان از آزمایشگاه ملی سندیا و دانشگاه ایالت اوهایو در حال آزمایش فناوری ناوبری جدیدی هستند که به آسمان‌ها برده شده و سیستمی پشتیبان را برای حفظ مسیر هواپیما در مواقعی که نمی‌تواند به ماهواره‌های GPS تکیه کند، ایجاد می‌کند.

بیش از ۱۵ مایل پایین‌تر از خنک‌کننده معلق، دکل‌های تلفن همراه یک همهمه ثابت از امواج رادیویی را منتشر می‌کنند. صدها مایل بالاتر، ماهواره‌های ارتباطی غیر GPS همین کار را انجام می‌دهند. ایده این است که از این سیگنال‌های جایگزین برای محاسبه موقعیت و سرعت یک وسیله نقلیه استفاده شود. جنیفر سندرسون، محقق ارشد سندیا می‌گوید: “ما نمی‌خواهیم GPS را جایگزین کنیم. ما فقط در تلاشیم تا در شرایطی که GPS دچار اختلال یا آسیب می‌شود، به آن کمک کنیم.” این وضعیت می‌تواند برای خلبانان و مسافران خطرناک باشد.

این تیم داده‌های اولیه خود را در کنفرانس GNSS+ مؤسسه ناوبری که از ۱۶ تا ۲۰ سپتامبر در بالتیمور برگزار شد، ارائه داد. این تحقیق تحت حمایت برنامه تحقیق و توسعه هدایت‌شده آزمایشگاه سندیا قرار دارد.

دلایل نیاز به پشتیبانی GPS

هیچ شکی نیست که GPS هنوز استاندارد طلایی برای ناوبری است. این سیستم سریع، دقیق و قابل اعتماد است. اما این ممکن است سوالی را ایجاد کند: چرا محققان در حال توسعه روش‌های ناوبری جدید هستند؟ سندرسون، که متخصص الگوریتم‌های ناوبری است، می‌گوید: “من نگران وابستگی بیش از حد به آن بدون یک سیستم پشتیبان هستم.” او توضیح می‌دهد که GPS به بخشی از زندگی مدرن و تکنولوژیک ما تبدیل شده است. ما به‌طور مداوم به آن متصل هستیم؛ چه در هنگام فرود یک هواپیما، چه در حین رانندگی در شهر، چه در نقشه‌برداری از محصولات کشاورزی یا زمان‌بندی معاملات در بازار بورس. این وابستگی باعث نگرانی محققانی مانند سندرسون درباره عواقب قطع ارتباط می‌شود. او می‌گوید: “عواقب از دست دادن GPS می‌تواند در سراسر جامعه احساس شود.”

اختلالات در GPS چندان نادر نیستند. خلبانانی که در نزدیکی مناطق درگیری پرواز می‌کنند، به‌طور فزاینده‌ای احتمال دارد که GPS را از دست بدهند یا متوجه شوند که این سیستم قابل اعتماد نیست. هرچه بیشتر بدون GPS پرواز کنند، خطر تصادف بیشتر می‌شود. سندرسون می‌گوید: “گیرنده‌های GPS تجاری در برابر چند تهدید مختلف آسیب‌پذیر هستند، یکی از آن‌ها جمرها است.” جمرها، دستگاه‌هایی هستند که گیرنده‌ها را با سیگنال‌های بی‌معنی در فرکانس‌های GPS تحت فشار قرار می‌دهند و استفاده از آن‌ها غیرقانونی است اما به‌راحتی در دسترس هستند. او همچنین به مشکل دیگری به نام جعل سیگنال اشاره می‌کند، که شامل استفاده از یک سیگنال جعلی برای فریب دادن گیرنده‌ها به این باور است که در مکان دیگری قرار دارند. این تکنیک یک راز نیست، زیرا جوامع بازی از آن برای تقلب در بازی‌های مبتنی بر موقعیت مانند Pokémon Go استفاده می‌کنند.

سندرسون تأکید می‌کند که اگرچه جعل یک بازی ممکن است نسبتاً بی‌ضرر باشد، اما می‌تواند عواقب واقعی در دنیای واقعی داشته باشد زمانی که به یک وسیله نقلیه مربوط می‌شود. خلبانان ممکن است نتوانند تشخیص دهند که آیا سیگنال جعل شده یا واقعی است، و این می‌تواند آن‌ها را به سمت اشتباه هدایت کند.

مطالعه سیگنال‌های فرصت در ارتفاعات بالا

ایده سندرسون برای ناوبری با استفاده از سیگنال‌های غیر GPS که به طور تصادفی در نزدیکی هستند، کاملاً جدید نیست. دانشمندان به آن سیگنال‌های فرصت می‌گویند، اما عمدتاً آن را در سطح زمین و نزدیک به آن مطالعه کرده‌اند.

پیشنهادات جدید برای ناوبری خودروهای خودران در شهرها

به عنوان یک راهکار برای ناوبری خودروهای خودران در دره‌های شهری که سیگنال‌های GPS به دلیل ساختمان‌های بلند مسدود می‌شوند، این پیشنهاد مطرح شده است. اما این کار ساده‌ای نیست. به جای استخراج اطلاعات زمان و مکان از سیگنال GPS، گیرنده‌ها گاهی از سیگنال‌های فرصت استفاده می‌کنند تا ویژگی‌های فیزیکی امواج فرکانس رادیویی را اندازه‌گیری کنند. به عنوان مثال، آنها می‌توانند از پدیده‌ای استفاده کنند که به آن اثر دوپلر می‌گویند. امواج رادیویی که از یک ماهواره به سمت یک گیرنده حرکت می‌کنند، در حین نزدیک شدن فشرده می‌شوند، در حالی که امواج رادیویی که از یک ماهواره دور می‌شوند، کشیده می‌شوند.

با استفاده از ریاضیات پیشرفته و سیگنال‌های کافی، دانشمندان می‌توانند منبع سیگنال‌ها را شناسایی کرده و موقعیت گیرنده را محاسبه کنند. سندرسون و تیمش در حال مطالعه ناوبری با سیگنال‌های فرصت در ارتفاعات بالا هستند. اگر آنها بتوانند داده‌های سیگنال را از استراتوسفر جمع‌آوری کنند، ممکن است بتوانند راهی برای هدایت وسایل نقلیه، مانند هواپیماها، با استفاده از یک شبکه از امواج فرکانس رادیویی جوی توسعه دهند. او گفت: “بنابراین، ما محموله‌های خود را به این بالن‌های هواشناسی متصل می‌کنیم و آنها را به هوا پرتاب می‌کنیم.” محموله‌ها که شامل بسته‌های الکترونیکی متصل به یک جفت آنتن و در یک خنک‌کننده فومی عایق‌بندی شده قرار دارند، کلید درک سیگنال‌ها در بالای ابرها هستند.

انتظار می‌رود سیگنال‌های ماهواره‌ای قوی باشند، اما ممکن است به دلیل الگوی انتقال مخروطی که به منبع نزدیک‌تر می‌شود، مناطق مرده‌ای وجود داشته باشد. پوشش ماهواره‌ای در مناطق روستایی، مانند بخش‌های زیادی از نیومکزیکو، ممکن است به اندازه کافی پراکنده باشد و کارایی نداشته باشد. قدرت سیگنال‌های دکل‌های تلفن همراه به طور نظری قابل محاسبه است، اما برای اینکه در یک وضعیت واقعی مفید باشد، باید مشخص شود. سندرسون گفت: “تا کنون، بالاترین ارتفاعی که به آن رسیده‌ایم حدود 80,000 فوت بوده است. در مقایسه، مطالعات دیگری که دیده‌ایم بر روی ارتفاعات 5,000 تا 7,000 فوت تمرکز داشته‌اند.”

گام بعدی در سفر علمی تیم

پردازش داده‌ها مرحله بعدی سفر علمی تیم است. در حالی که محققان به پردازش اولین دسته داده‌های خود ادامه می‌دهند، به دنبال نقاط عطف و چالش‌های جدید هستند. سندرسون گفت: “جنبه‌ای که شاید جذاب نباشد اما بسیار مهم است، درک تمام منابع خطا است. هدف من این است که یک مجموعه داده قوی داشته باشم تا الگوریتم‌هایی برای سیستم‌های زمان واقعی توسعه دهم و آزمایش‌های سخت‌افزاری را با استفاده از داده‌های واقعی آسمان انجام دهم.”

در نهایت، یک سیستم ناوبری کاربردی باید سیگنال‌ها را به فرستنده‌های خود در زمان واقعی تطبیق دهد و سپس موقعیت و سرعت را نسبت به آن منابع محاسبه کند. با این حال، در این مرحله اولیه تحقیق، تیم او به صورت دستی سیگنال‌های دریافتی را به ماهواره‌های نزدیک تطبیق می‌دهد با استفاده از داده‌های مرجع. او گفت: “این کار می‌تواند بسیار خسته‌کننده باشد. بنابراین، یکی از جنبه‌های بزرگ که باید به آن پرداخته شود، خودکار کردن این فرآیند است.”

با وجود چالش‌ها، او خوشبین باقی مانده است. سندرسون گفت: “در حالی که هنوز در حال پردازش داده‌های پرواز هستیم، معتقدیم یافته‌های اولیه ما نشان می‌دهد که ما سیگنال‌های دکل‌های تلفن همراه را در بالاترین ارتفاع خود که حدود 82,000 فوت است، شناسایی کرده‌ایم. اگر این سیگنال‌ها به اندازه کافی برای ناوبری پاک باشند، به طور قابل توجهی آنچه را که فکر می‌کردیم برای ناوبری جایگزین ممکن است تغییر خواهد داد.”

درباره آزمایشگاه‌های ملی سندیا

آزمایشگاه‌های ملی سندیا یک آزمایشگاه چند منظوره است که توسط شرکت ملی فناوری و راه‌حل‌های مهندسی سندیا LLC، یک شرکت تابعه کاملاً متعلق به Honeywell International Inc. برای اداره امنیت هسته‌ای ملی وزارت انرژی ایالات متحده، اداره می‌شود. آزمایشگاه‌های سندیا مسئولیت‌های عمده‌ای در تحقیق و توسعه در زمینه بازدارندگی هسته‌ای، امنیت جهانی، دفاع، فناوری‌های انرژی و رقابت اقتصادی دارند و دارای تأسیسات اصلی در آلbuquerque، نیومکزیکو و لیورمور، کالیفرنیا هستند.