Sistema de Navegação Redundante Mantém Aeronaves no Curso Quando GPS Indisponível

Design de Movimento INSIDER

Da esquerda para a direita: engenheiro elétrico dos Laboratórios Nacionais Sandia Prabodh Jahveri, estagiário Will Barrett, tecnólogo Michael Fleigie, e estagiária Summer Czarnowski preparam uma carga útil para lançamento de balão meteorológico. (Imagem: Craig Fritz)

Testes na Estratosfera

Pendurado em um balão meteorológico a 24.000 metros acima do Novo México, um par de antenas sobressai de um cooler de isopor. As antenas estão ouvindo sinais que poderiam tornar as viagens aéreas mais seguras.

Pesquisadores dos Laboratórios Nacionais Sandia e da Universidade Estadual de Ohio estão levando tecnologia experimental de navegação aos céus, pioneirando um sistema de backup para manter um avião no curso quando não pode contar com satélites do sistema de posicionamento global.

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

"Não estamos tentando substituir o GPS", disse a pesquisadora líder da Sandia, Jennifer Sanderson. "Estamos apenas tentando auxiliá-lo em situações onde ele está degradado ou comprometido", o que pode levar a situações perigosas para pilotos e passageiros.

Vulnerabilidades do GPS

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: por que pesquisadores estão desenvolvendo novos métodos de navegação? "Me preocupo em confiar demais nele sem um backup", disse Sanderson, especialista em algoritmos de navegação.

O GPS, disse ela, tornou-se parte do tecido do nosso mundo tecnológico moderno. Como sociedade, estamos constantemente conectados a ele, seja pousando um avião, dirigindo pela cidade, mapeando rendimentos de culturas ou cronometrando transações em bolsas de valores. Esta dependência deixa pesquisadores como Sanderson preocupados com as consequências se a conexão for interrompida.

"Os impactos da perda do GPS poderiam ser sentidos em toda a sociedade", disse ela. Interrupções no GPS não são incomuns. Pilotos voando perto de áreas de conflito estão cada vez mais propensos a perder o GPS ou descobrir que ele é não confiável. Quanto mais tempo voam sem GPS, maior o risco de acidentes.

"Receptores GPS comerciais são suscetíveis a um par de ameaças diferentes, uma sendo interferência intencional (jamming)", disse Sanderson. Dispositivos de interferência, que sobrecarregam receptores com sinais sem sentido nas frequências do GPS, são ilegais mas comercialmente disponíveis.

Outro problema, disse ela, é falsificação (spoofing), que envolve usar um sinal falso para enganar receptores a acreditarem que estão em uma localização diferente. A técnica não é segredo, pois comunidades de jogos a usam 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-lo para vários jogos", disse Sanderson.

Embora falsificar um jogo possa ser relativamente inofensivo, Sanderson enfatizou que pode ter consequências reais quando direcionado a um veículo. Pilotos podem não conseguir saber se um sinal é falsificado ou genuíno, levando-os na direção errada.

Navegação por Sinais de Oportunidade

A ideia de Sanderson de navegar usando sinais não-GPS que acontecem de estar por perto não é totalmente nova. Cientistas se referem a isso como "sinais de oportunidade", mas estudaram principalmente no solo ou próximo a ele. Foi proposto como uma forma de veículos autônomos navegarem por cânions urbanos, onde sinais GPS são bloqueados por edifícios imponentes.

No entanto, não é uma tarefa simples. Em vez de extrair informações de tempo e localização de um sinal GPS, receptores de sinais de oportunidade às vezes medem as características físicas de ondas de radiofrequência.

Por exemplo, podem usar o efeito Doppler. Ondas de rádio de um satélite movendo-se em direção a um receptor ficam comprimidas à medida que viajam, enquanto ondas de rádio de um satélite se afastando ficam esticadas. Com matemática avançada e sinais suficientes, cientistas podem determinar a fonte dos sinais e calcular a posição do receptor.

Sanderson e sua equipe estão estudando navegação por sinais de oportunidade em altas altitudes. Se conseguirem coletar dados de sinal da estratosfera, podem desenvolver uma maneira de guiar veículos, como aeronaves, usando uma rede de ondas de radiofrequência atmosféricas. "Então, amarramos nossas cargas úteis a esses balões meteorológicos e as lançamos no ar", disse ela.

Desafios e Progressos

As cargas úteis, que consistem em pacotes eletrônicos conectados a um par de antenas e agrupados em um cooler de espuma isolante, guardam a chave para entender sinais bem acima das nuvens. Sinais de satélite são esperados para serem fortes, mas pode haver zonas mortas devido ao padrão de transmissão em forma de cone que se estreita próximo à fonte. Cobertura de satélite sobre áreas rurais, como grande parte do Novo México, pode ser esporádica demais para ser útil. A força dos sinais de torres de celular pode ser calculada teoricamente, mas precisa ser caracterizada para ser útil em situação real.

"Até agora, a maior altitude que alcançamos é cerca de 24.000 metros. Em comparação, outros estudos que vimos focaram em 1.500 a 2.100 metros."

"O lado muito importante da navegação é entender todas as suas fontes de erro", 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 de céu vivo."

Eventualmente, um sistema de navegação funcional precisará corresponder sinais a seus transmissores em tempo real e então calcular posição e velocidade relativas a essas fontes. No entanto, neste estágio inicial da pesquisa, sua equipe está manualmente correspondendo sinais recebidos a satélites próximos usando dados de referência. "Pode ser bastante tedioso. Então, um grande aspecto que precisamos abordar é automatizar este processo", disse ela.

"Embora ainda estejamos processando os dados de voo, acreditamos que nossas descobertas preliminares indicam que detectamos sinais de beacon de torres de celular em nossa altitude de pico de cerca de 25.000 metros. Se esses sinais forem limpos o suficiente para navegação, mudará significativamente o que pensávamos ser possível para navegação alternativa", disse Sanderson.

Fonte