GPS不可時も航空機を航路に維持する冗長ナビゲーションシステム

モーションデザイン インサイダー

左から：Sandia国立研究所電気エンジニアPrabodh Jahveri、インターンWill Barrett、技術者Michael Fleigie、インターンSummer Czarnowskiが、気象観測用気球のペイロードを準備しています。（画像：Craig Fritz）

成層圏からの代替信号で位置特定

ニューメキシコ州上空80,000フィート（約24,400メートル）の気象観測気球から吊り下げられたスチロールクーラーから、一対のアンテナが突き出しています。これらのアンテナは、航空旅行をより安全にする可能性のある信号を聴取しています。

Sandia国立研究所とオハイオ州立大学の研究者たちは、実験的なナビゲーション技術を空へ持ち出し、グローバル測位システム（GPS）衛星に頼れないときに航空機を航路上に維持するバックアップシステムを先駆的に開発しています。

浮遊クーラーの15マイル（約24km）以上下方では、携帯電話塔が無線周波数波の安定したハム音を発しています。数百マイル上空では、非GPS通信衛星が同様のことをしています。これらの代替信号を用いて、車両の位置と速度を計算するのが狙いです。

「GPSを置き換えようとしているのではありません」と、Sandia主任研究者のJennifer Sanderson氏。「GPSが劣化または妨害された状況で、それを補助しようとしています。それはパイロットと乗客にとって危険な状況を招く可能性があります。」

GPSへの過度な依存への懸念

GPSがナビゲーションのゴールドスタンダードであることは疑いようがありません。高速、高精度、高信頼性です。では、なぜ研究者たちは新しいナビゲーション手法を開発しているのでしょうか。「バックアップなしでそれに過度に依存することの帰結が心配です」と、ナビゲーションアルゴリズムの専門家であるSanderson氏。

GPSは現代の技術世界の基盤の一部となりました。社会として、着陸、運転、作物収量マッピング、株取引のタイミングなど、常にGPSに接続されています。この依存関係は、接続が途絶えた場合の結果をSanderson氏のような研究者たちに懸念させています。

「GPSを失う影響は社会全体に及ぶ可能性があります」と彼女は言います。GPSへの妨害は珍しくありません。紛争地域付近を飛行するパイロットは、GPSを失うか、信頼できないものになる可能性が高まっています。GPSなしで飛行する時間が長ければ長いほど、事故リスクは高まります。

妨害とスプーフィングの脅威

「市販のGPS受信機はいくつかの脅威に脆弱です。一つは妨害です」とSanderson氏。妨害装置は、GPS周波数で無意味な信号で受信機を圧倒します。違法ですが市販されています。

もう一つの問題はスプーフィング（偽装）で、偽の信号を使って受信機を別の場所にいると誤認させます。この手法は秘密ではなく、ゲームコミュニティが『Pokémon GO』のような位置情報ゲームでチートするために使用しています。

「自分の位置を偽装できるアプリをダウンロードでき、様々なゲームでそれをどう使うかを示すサブレディットさえ存在します」とSanderson氏。

ゲームでのスプーフィングは比較的無害かもしれませんが、Sanderson氏は車両に向けられた場合、現実世界での結果を招くことを強調します。パイロットは信号がスプーフィングされているか本物かを見分けられず、間違った方向へ導かれる可能性があります。

「機会の信号」を高高度で活用

Sanderson氏の、たまたま近くにある非GPS信号でナビゲートするというアイデアは完全に新しいものではありません。科学者たちはこれを「機会の信号」と呼びますが、主に地上や地表付近で研究してきました。GPS信号が高層ビルで遮断される都市峡谷での自律走行車のナビゲーション手段として提案されてきました。

しかし、これは単純なタスクではありません。GPS信号から時間と位置情報を抽出する代わりに、機会の信号の受信機は無線周波数波の物理的特性を測定することがあります。

例えば、ドップラー効果を利用できます。受信機に向かって移動する衛星からの電波は移動中に圧縮され、遠ざかる衛星からの電波は引き伸ばされます。高度な数学と十分な信号があれば、科学者たちは信号源を特定し、受信機の位置を計算できます。

Sanderson氏と彼女のチームは、高高度での機会の信号ナビゲーションを研究しています。成層圏から信号データを収集できれば、大気圏内の無線周波数波ネットワークを用いて航空機などの車両を誘導する方法を開発できるかもしれません。「だから、ペイロードを気象観測気球に取り付けて空へ打ち上げるのです」と彼女は言います。

ペイロードの構成と高高度での信号受信

一対のアンテナと電子パッケージを断熱フォームクーラーに束ねたペイロードが、雲の上の信号を理解する鍵を握っています。衛星信号は強力であることが期待されますが、光源に近づくにつれて狭まる円錐形の送信パターンによりデッドゾーンが生じる可能性があります。ニューメキシコ州のような地方における衛星カバレッジは、実用的とは言えないほど断続的かもしれません。携帯電話塔の信号強度は理論的に計算できますが、実用的な状況で有用にするには特性評価が必要です。

「これまで到達した最高高度は約80,000フィートです。比較のために見た他の研究は、5,000〜7,000フィートに焦点を当てていました。」

「ナビゲーションの非常に重要な側面は、すべての誤差源を理解することです」とSanderson氏。「私の目標は、リアルタイムシステムのアルゴリズム開発と、実際のライブスカイデータを用いたハードウェアテストを可能にする堅牢なデータセットを得ることです。」

最終的に、機能的なナビゲーションシステムは、信号をリアルタイムで送信機と照合し、それらの情報源に対する相対的な位置と速度を計算する必要があります。しかし、この研究の初期段階では、チームは参照データを用いて受信信号を近くの衛星と手動で照合しています。「かなり面倒です。自動化する必要がある大きな側面の一つです」と彼女。

「フライトデータの処理はまだ進行中ですが、予備的な知見では、ピーク高度約82,000フィートで携帯電話塔の信号ビーコンを検出したと考えられます。これらの信号がナビゲーションに十分クリーンであれば、代替ナビゲーションで可能だと考えていたことが大きく変わります」とSanderson氏。

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