Sistema de navegação redundante mantém a aeronave no curso quando o GPS não está disponível

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Da esquerda para a direita:o engenheiro elétrico do Sandia National Laboratories Prabodh Jahveri, o estagiário Will Barrett, o tecnólogo Michael Fleigie e o estagiário Summer Czarnowski preparam uma carga útil para o lançamento de um balão meteorológico. (Imagem:Craig Fritz)
Penduradas em um balão meteorológico a 25 mil metros acima do Novo México, um par de antenas sobressai de um refrigerador de isopor. As antenas estão à procura de sinais que possam tornar as viagens aéreas mais seguras.

Pesquisadores dos Laboratórios Nacionais Sandia e da Universidade Estadual de Ohio estão levando tecnologia de navegação experimental para os céus, sendo pioneiros em um sistema de backup para manter um avião em curso quando ele não pode contar com satélites do sistema de posicionamento global.

Mais de 24 quilômetros abaixo do refrigerador flutuante, as torres de telefonia celular emitem um zumbido constante de ondas de radiofrequência. Centenas de quilômetros acima, os satélites de comunicação não GPS fazem o mesmo. A ideia é usar esses sinais alternativos para calcular a posição e a velocidade de um veículo.

“Não estamos tentando substituir o GPS”, disse Jennifer Sanderson, pesquisadora-chefe do Sandia. “Estamos apenas tentando auxiliá-lo em situações em que esteja degradado ou comprometido”, o que pode levar a situações perigosas para pilotos e passageiros.

Não há dúvida de que o GPS ainda é o padrão ouro para navegação. É rápido, preciso e confiável. O que pode levantar a questão:Porque é que os investigadores estão a desenvolver novos métodos de navegação? “Eu me preocupo em depender demais dele sem um backup”, disse Sanderson, especialista em algoritmos de navegação.

O GPS, disse ela, tornou-se parte da estrutura do nosso mundo tecnológico moderno. Como sociedade, estamos constantemente ligados a ela, quer estejamos a aterrar um avião, a conduzir pela cidade, a mapear os rendimentos das colheitas ou a cronometrar transações nos mercados de ações. Essa confiança deixou pesquisadores como Sanderson preocupados com as consequências caso a conexão fosse interrompida.

“Os impactos da perda do GPS podem ser sentidos em toda a sociedade”, disse ela. Interrupções no GPS não são incomuns. Os pilotos que voam perto de áreas de conflito têm cada vez mais probabilidade de perder o GPS ou descobrir que este não é fiável. Quanto mais tempo voarem sem GPS, maior será o risco de acidentes.

“Os receptores GPS comerciais são suscetíveis a algumas ameaças diferentes, sendo uma delas o bloqueio”, disse Sanderson. Os bloqueadores, dispositivos que sobrecarregam os receptores com sinais sem sentido nas frequências GPS, são ilegais, mas estão disponíveis comercialmente.

Outro problema, disse ela, é a falsificação, que envolve o uso de um sinal falso para induzir os receptores a acreditarem que estão em um local diferente. A técnica não é segredo, já que as comunidades de jogos a utilizam para trapacear em jogos baseados em localização, como Pokémon Go.

“Existem aplicativos reais que você pode baixar que permitem falsificar sua localização e subreddits inteiros dedicados a mostrar como usá-los em vários jogos”, disse Sanderson.

Embora falsificar um jogo possa ser relativamente inofensivo, Sanderson enfatizou que pode ter consequências no mundo real quando direcionado a um veículo. Os pilotos podem não conseguir saber se um sinal é falsificado ou genuíno, levando-os na direção errada.

A ideia de Sanderson de navegar usando sinais não GPS que estejam próximos não é inteiramente nova. Os cientistas referem-se a isso como “sinais de oportunidade”, mas estudaram-no principalmente no solo e perto dele. Foi proposto como uma forma de veículos autônomos navegarem por desfiladeiros urbanos, onde os sinais de GPS são bloqueados por edifícios imponentes.

Contudo, não é uma tarefa simples. Em vez de extrair informações de tempo e localização de um sinal GPS, os receptores de sinais de oportunidade às vezes medem as características físicas das ondas de radiofrequência.

Por exemplo, eles podem usar o efeito Doppler. As ondas de rádio de um satélite que se move em direção a um receptor ficam comprimidas à medida que viajam, enquanto as ondas de rádio de um satélite que se afasta ficam esticadas. Com alguma matemática avançada e sinais suficientes, os cientistas podem determinar a origem dos sinais e calcular a posição do receptor.

Sanderson e sua equipe estão estudando sinais de navegação de oportunidade em grandes altitudes. Se conseguirem coletar dados de sinais da estratosfera, poderão desenvolver uma maneira de guiar veículos, como aeronaves, usando uma rede de ondas de radiofrequência atmosféricas. “Então, amarramos nossas cargas a esses balões meteorológicos e os lançamos no ar”, disse ela.

As cargas úteis, que consistem em pacotes eletrônicos conectados a um par de antenas e agrupados em um refrigerador de espuma isolado, são a chave para a compreensão dos sinais acima das nuvens. Espera-se que os sinais de satélite sejam fortes, mas podem existir zonas mortas devido ao padrão de transmissão em forma de cone que se estreita mais perto da fonte. A cobertura por satélite nas áreas rurais, como grande parte do Novo México, pode ser demasiado esporádica para ser útil. A intensidade dos sinais das torres celulares pode ser calculada teoricamente, mas precisa ser caracterizada para ser útil em uma situação do mundo real.

"Até agora, a altitude mais alta que atingimos foi de cerca de 80.000 pés. Em comparação, outros estudos que vimos concentraram-se em 5.000 a 7.000 pés."

“O lado muito importante da navegação é compreender todas as fontes de erros”, disse Sanderson. “Meu objetivo é ter um conjunto de dados robusto para desenvolver algoritmos para sistemas em tempo real, permitindo testes de hardware usando dados reais do céu ao vivo.”

Eventualmente, um sistema de navegação funcional precisará combinar os sinais com seus transmissores em tempo real e então calcular a posição e a velocidade relativas a essas fontes. No entanto, nesta fase inicial da investigação, a sua equipa está a comparar manualmente os sinais recebidos com satélites próximos, utilizando dados de referência. "Pode ser bastante tedioso. Portanto, um grande aspecto que precisamos abordar é a automatização desse processo", disse ela.

"Enquanto ainda estamos processando os dados de voo, acreditamos que nossas descobertas preliminares indicam que detectamos faróis de sinalização de torres de celular em nossa altitude máxima de cerca de 82.000 pés. Se esses sinais forem limpos o suficiente para a navegação, isso mudará significativamente o que pensávamos ser possível para a navegação alternativa", disse Sanderson.

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