فرود ایمن با امواج غیر GPS: نوآوری محققان برای جلوگیری از فاجعه هوایی

پروژه‌ای برای تضمین امنیت پرواز با استفاده از امواج غیر GPS

بر فراز ارتفاعی حدود هشتاد هزار پا بالای نیومکزیکو، دو شاخک از یک محفظه‌ی یونولیتی آویزان شده است. از این ارتفاع، سیاهی فضا در برابر آبیِ زمین، جلوه می‌کند. اما این شاخک‌ها تحت تأثیر این منظره‌ی خیره‌کننده نیستند. بلکه، در حال جستجوی سیگنال‌هایی هستند که می‌توانند امنیت سفرهای هوایی را ارتقا دهند. محققان از آزمایشگاه ملی سندیا و دانشگاه ایالتی اوهایو، در حال آزمایش فناوری ناوبری نوینی هستند که به آسمان‌ها برده شده و یک سیستم پشتیبان را برای حفظ مسیر هواپیما، در زمانی که نمی‌تواند به ماهواره‌های GPS متکی باشد، ایجاد می‌کند.

بیش از پانزده مایل پایین‌تر از این محفظه‌ی معلق، دکل‌های مخابراتی موجی مداوم از امواج رادیویی را می‌پراکنند. صدها مایل بالاتر، ماهواره‌های مخابراتی غیر GPS نیز همین کار را انجام می‌دهند. ایده این است که از این سیگنال‌های جایگزین برای محاسبه‌ی موقعیت و سرعت یک وسیله‌ی نقلیه استفاده شود. خانم جنیفر سندرسون، محقق ارشد سندیا می‌گوید: «ما نمی‌خواهیم جایگزین GPS شویم. ما فقط می‌خواهیم در شرایطی که GPS دچار مشکل یا آسیب می‌شود، به آن کمک کنیم.» این وضعیت می‌تواند برای خلبانان و مسافران خطرناک باشد.

این گروه، نتایج اولیه‌ی خود را در کنفرانس GNSS+ موسسه ناوبری که از تاریخ شانزدهم تا بیستم سپتامبر در شهر بالتیمور برگزار شد، ارائه دادند. این تحقیق تحت حمایت برنامه‌ی تحقیق و توسعه‌ی هدایت‌شده‌ی آزمایشگاه سندیا قرار دارد.

چرایی نیاز به پشتیبانی از GPS

شکی نیست که GPS هنوز هم معیار طلایی برای ناوبری است. این سیستم سریع، دقیق و قابل اطمینان است. اما این سوال را پیش می‌آورد که: چرا محققان در حال توسعه روش‌های جدید ناوبری هستند؟ خانم سندرسون، که در زمینه‌ی الگوریتم‌های ناوبری تخصص دارد، می‌گوید: «من نگران وابستگی بیش از حد به آن، بدون یک سیستم پشتیبان هستم.» او توضیح می‌دهد GPS به بخشی از زندگی مدرن و تکنولوژیک ما تبدیل شده است. ما به‌طور پیوسته به آن متصل هستیم؛ چه در هنگام فرود یک هواپیما، چه در حین رانندگی در شهر، چه در نقشه‌برداری از مزارع کشاورزی یا زمان‌بندی معاملات در بازار بورس. این وابستگی باعث نگرانی محققانی مانند سندرسون درباره‌ی پیامدهای قطع ارتباط می‌شود. او می‌گوید: «پیامدهای از کار افتادن GPS می‌تواند در سراسر جامعه احساس شود.»

اختلالات در GPS، پدیده‌ای نادر نیست. خلبانانی که در نزدیکی مناطق درگیری پرواز می‌کنند، احتمال زیادی 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. خانم سندرسون می‌گوید: «گیرنده‌های GPS تجاری در برابر چندین تهدید متفاوت آسیب‌پذیر هستند که یکی از آن‌ها جمرها است.» جمرها، دستگاه‌هایی هستند که گیرنده‌ها را با سیگنال‌های بی‌معنا در فرکانس‌های GPS تحت فشار قرار می‌دهند – و استفاده از آن‌ها غیرقانونی است، اما به راحتی در دسترس هستند. او همچنین به مشکل دیگری با نام جعل سیگنال اشاره می‌کند، که شامل استفاده از یک سیگنال تقلبی برای فریب دادن گیرنده‌ها به این باور است که در مکان دیگری قرار دارند. این تکنیک یک راز نیست، زیرا جامعه‌ی گیمرها از آن برای تقلب در بازی‌های مبتنی بر موقعیت مانند Pokémon Go استفاده می‌کنند.

خانم سندرسون تأکید می‌کند که اگرچه جعل کردن در یک بازی ممکن است نسبتاً بی‌ضرر باشد، اما می‌تواند پیامدهای واقعی در دنیای واقعی داشته باشد، خصوصاً زمانی که به یک وسیله‌ی نقلیه مربوط باشد. خلبانان ممکن است نتوانند تفاوت بین یک سیگنال جعلی یا واقعی را تشخیص دهند، و این می‌تواند آن‌ها را به اشتباه هدایت کند.

مطالعه امواج فرصت در ارتفاعات بالا

ایده سندرسون برای تعیین موقعیت با استفاده از امواج غیر GPS که به صورت تصادفی در محیط وجود دارند، کاملاً جدید نیست. دانشمندان این امواج را امواج فرصت می‌نامند، اما بیشتر در سط سطح زمین و نزدیک به آن مورد مطالعه قرار داده‌اند.

طرح‌های نوین 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 امواج فرصت استفاده می‌کنند تا ویژگی‌های فیزیکی امواج فرکانس رادیویی را اندازه‌گیری کنند. برای مثال، آن‌ها می‌توانند از پدیده‌ای استفاده کنند که به آن اثر دوپلر می‌گویند. امواجی که از یک ماهواره به سمت یک گیرنده حرکت می‌کنند، در حین نزدیک شدن فشرده می‌شوند، در حالی که امواجی که از یک ماهواره دور می‌شوند، کشیده می‌شوند.

با استفاده از ریاضیات پیشرفته و امواج کافی، دانشمندان می‌توانند منبع امواج را شناسایی کرده و موقعیت گیرنده را محاسبه کنند. سندرسون و تیمش در حال مطالعه ناوبری با امواج فرصت در ارتفاعات بالایی هستند. اگر آن‌ها بتوانند داده‌های امواج را از لایه استراتوسفر جمع‌آوری کنند، ممکن است بتوانند راهی برای هدایت وسایل نقلیه، مثل هواپیما، با استفاده‌ از یک شبکه‌ی امواج فرکانس رادیویی جوی، توسعه دهند. او گفت: «به این ترتیب، ما محموله‌های خود را به این بالون‌های هواشناسی متصل می‌کنیم و آن‌ها را به هوا می‌فرستیم.» محموله‌ها – که شامل بسته‌های الکترونیکی متصل به دو شاخک و در یک محفظه‌ی فومی عایق‌بندی‌شده قرار دارند- نقش کلیدی در درک امواج بالای ابرها دارند.

انتظار می‌رود که سیگنال‌های ماهواره‌ای قوی باشند، اما ممکن است به دلیل الگوی انتقال مخروطی که به منبع نزدیک‌تر می‌شود، نقاط کوری وجود داشته باشد. پوشش ماهواره‌ای در مناطق روستایی، مانند بخش‌های زیادی از نیومکزیکو، ممکن است به اندازه کافی گسترده نباشد و کارایی نداشته باشد. قدرت سیگنال‌های دکل‌های مخابراتی از نظر تئوری قابل محاسبه است، اما برای اینکه در یک وضعیت واقعی مفید باشد، باید این محاسبات مشخص شوند. سندرسون گفت: «تا کنون، بالاترین ارتفاعی که به آن رسیده‌ایم حدود 80,000 پا بوده است. در مقایسه، مطالعات دیگری که دیده‌ایم، بر روی ارتفاعات 5,000 تا 7,000 پا متمرکز بوده‌اند.»

گام بعدی در مسیر علمی تیم

پردازش داده‌ها، مرحله‌ی بعدی‌ی سفر علمی تیم است. در حالی که محققان به پردازش اولین دسته‌ی داده‌های خود ادامه می‌دهند، به دنبال نقاط عطف و چالش‌های جدید هستند. خانم سندرسون گفت: «جنبه‌ای که شاید جذاب نباشد، اما بسیار مهم است، درک تمام منابع خطا است. هدف من این است که یک مجموعه‌ی داده‌ی 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 امواج 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 مرحله‌ی اولیه‌ی تحقیق، تیم او، به صورت دستی امواج دریافتی را با ماهواره‌های نزدیک تطبیق می‌دهد، با استفاده از داده‌های مرجع. او گفت: «این کار می‌تواند بسیار خسته‌کننده باشد. بنابراین، یکی از مسائل عمده که باید به آن رسیدگی شود، خودکار کردن این فرآیند است.»

با وجود این چالش‌ها، او همچنان خوش‌بین است. خانم سندرسون گفت: «در حالی که هنوز در حال پردازش داده‌های پرواز هستیم، بر این باوریم یافته‌های اولیه‌ی ما نشان می‌دهد که ما امواج دکل‌های مخابراتی را در بالاترین ارتفاع خود، که حدود 82,000 پا است شناسایی کرده‌ایم. اگر این امواج به اندازه‌ی کافی برای ناوبری شفاف باشند، به طور قابل توجهی آنچه را که فکر می‌کردیم برای ناوبری جایگزین ممکن است، تغییر خواهد داد.»

درباره‌ی 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 اداره‌ی امنیت هسته‌ای ملی وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود. آزمایشگاه‌های سندیا مسئولیت‌های اصلی در تحقیق و توسعه در زمینه‌ی بازدارندگی هسته‌ای، امنیت جهانی، دفاع، فناوری‌های انرژی و رقابت اقتصادی دارند و دارای تأسیسات اصلی در آلbuquerque، نیومکزیکو و لیورمور، کالیفرنیا هستند.