GPS が利用できない場合でも、冗長ナビゲーション システムにより航空機のコースを維持

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左から右へ:サンディア国立研究所の電気技師プラボード・ジャベリ、インターンのウィル・バレット、技術者のマイケル・フライギー、インターンのサマー・チャルノフスキーが気象観測気球の打ち上げに備えてペイロードを準備している。 (画像:クレイグ・フリッツ)

ニューメキシコ上空 80,000 フィートの気象観測気球からぶら下がり、発泡スチロールのクーラーから 2 本のアンテナが突き出ています。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受信しています。

サンディア国立研究所とオハイオ州立大学の研究者は、実験的なナビゲーション技術を空に持ち込み、全地球測位システムの衛星に依存できない航空機のコースを維持するためのバックアップ システムを開発しています。

浮遊クーラーの下 15 マイル以上では、携帯電話の塔が無線周波数のハム音を安定して発しています。数百マイル上空では、GPS 以外の通信衛星も同様のことを行います。このアイデアは、これらの代替信号を使用して車両の位置と速度を計算することです。

「私たちはGPSを置き換えようとしているわけではありません」とサンディア社の主任研究員ジェニファー・サンダーソン氏は語った。 「私たちは、パイロットや乗客にとって危険な状況につながる可能性のある、劣化または損傷した状況を支援しようとしているだけです。」

GPS が依然としてナビゲーションのゴールドスタンダードであることに疑問の余地はありません。速く、正確で、信頼性が高いです。ここで、「なぜ研究者は新しいナビゲーション方法を開発しているのでしょうか?」という疑問が生じるかもしれません。 「バックアップなしでそれに過度に依存することを心配しています」と、ナビゲーション アルゴリズムの専門家であるサンダーソン氏は言います。

GPS は現代の技術世界の構造の一部になっている、と彼女は言いました。社会として、私たちは飛行機に着陸するときも、街を車で移動するときも、農作物の収穫量を地図に記録するときも、株式市場で取引のタイミングを計るときも、常に社会に接続されています。この依存性により、サンダーソンのような研究者は、接続が中断された場合の影響を懸念しています。

「GPSの喪失による影響は社会全体に及ぶ可能性があります」と彼女は言う。 GPS の中断は珍しいことではありません。紛争地域の近くを飛行するパイロットは、GPS を紛失したり、GPS が信頼できないことに気づく可能性が高まっています。 GPS なしで長時間飛行するほど、事故のリスクが高くなります。

「市販の GPS 受信機はいくつかの異なる脅威の影響を受けやすく、そのうちの 1 つは妨害です」とサンダーソン氏は述べています。 GPS 周波数の無意味な信号で受信機を圧倒する装置であるジャマーは違法ですが、市販されています。

もう一つの問題は、偽の信号を使用して受信者が別の場所にいると信じ込ませることを含むスプーフィングだ、と彼女は述べた。このテクニックは周知の事実であり、ゲーム コミュニティが Pokémon Go などの位置情報ベースのゲームで不正行為を行うためにこのテクニックを使用しているためです。

「位置情報を偽装できるようにダウンロードできる実際のアプリや、さまざまなゲームでの使用方法を示す専用のサブレディット全体があります」とサンダーソン氏は言いました。

ゲームのなりすましは比較的無害かもしれないが、車両に向けられた場合には現実世界に影響を与える可能性があるとサンダーソン氏は強調した。パイロットは信号が偽装されたものなのか本物なのかを見分けることができず、誤った方向に誘導してしまう可能性があります。

たまたま近くにあった非 GPS 信号を使用してナビゲーションするというサンダーソンのアイデアは、まったく新しいものではありません。科学者たちはそれを「機会の信号」と呼んでいますが、主に地上とその近くで研究しています。これは、GPS 信号がそびえ立つ建物によって遮断されている都市の峡谷を自動運転車が通過する方法として提案されています。

ただし、それは簡単な作業ではありません。機会信号の受信機は、GPS 信号から時間と位置情報を抽出する代わりに、無線周波数の物理的特性を測定することがあります。

たとえば、ドップラー効果を使用できます。受信機に向かって進む衛星からの電波は進むにつれて圧縮され、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、科学者は信号の発信源を特定し、受信機の位置を計算できます。

サンダーソン氏と彼女のチームは、高高度での機会信号による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、大気中の無線周波数のネットワークを使用して航空機などの乗り物を誘導する方法を開発できる可能性があります。 「それで、私たちはこれらの気象観測用気球に積載物を縛り付けて、空中に打ち上げます」と彼女は言いました。

ペイロードは、一対のアンテナに取り付けられ、断熱フォームクーラーに束ねられた電子パッケージで構成されており、雲の上空の信号を理解するための鍵を握っています。衛星信号は強いと予想されますが、発信元に近づくほど狭くなる円錐形の送信パターンにより、不感帯が発生する可能性があります。ニューメキシコ州の多くの地域と同様に、地方地域を衛星でカバーできる範囲は散発的すぎて役に立たない可能性があります。携帯電話基地局の信号の強度は理論的に計算できますが、現実の状況で役立つように特性を評価する必要があります。

「これまでのところ、私たちが到達した最高高度は約 80,000 フィートです。それに比べて、私たちがこれまでに見てきた他の研究は、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、エラーの原因をすべて理解することです」とサンダーソン氏は言います。 「私の目標は、リアルタイム システムのアルゴリズムを開発するための堅牢なデータセットを用意し、実際の空のライブ データを使用したハードウェア テストを可能にすることです。」

最終的には、機能的なナビゲーション システムは、リアルタイムで信号を送信機に照合し、それらのソース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、研究の初期段階では、彼女のチームは参照データを使用して受信信号を近くの衛星と手動で照合しています。 「これは非常に面倒な作業になる可能性があります。したがって、私たちが取り組む必要がある大きな側面の 1 つは、このプロセスを自動化することです。」と彼女は言いました。

「私たちはまだ飛行データを処理中ですが、予備的な調査結果は、ピーク高度約 82,000 フィートで携帯電話基地局の信号ビーコンを検出したことを示していると考えています。これらの信号が航行に十分なほどクリーンであれば、代替航行が可能であると私たちが考えていたことが大幅に変わるでしょう」とサンダーソン氏は述べました。

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