El sistema de navegación redundante mantiene la aeronave en rumbo cuando el GPS no está disponible

Diseño de movimiento INSIDER

De izquierda a derecha:el ingeniero eléctrico de Sandia National Laboratories, Prabodh Jahveri, el pasante Will Barrett, el tecnólogo Michael Fleigie y la pasante Summer Czarnowski preparan una carga útil para el lanzamiento de un globo meteorológico. (Imagen:Craig Fritz)

Colgando de un globo meteorológico a 80.000 pies sobre Nuevo México, un par de antenas sobresalen de una hielera de poliestireno. Las antenas están escuchando señales que podrían hacer que los viajes en avión sean más seguros.

Investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad Estatal de Ohio están llevando la tecnología de navegación experimental a los cielos, siendo pioneros en un sistema de respaldo para mantener un avión en rumbo cuando no puede depender de los satélites del sistema de posicionamiento global.

A más de 24 kilómetros por debajo del enfriador flotante, las torres de telefonía celular emiten un zumbido constante de ondas de radiofrecuencia. Cientos de kilómetros más arriba, los satélites de comunicaciones sin GPS hacen lo mismo. La idea es utilizar estas señales alternativas para calcular la posición y velocidad de un vehículo.

"No estamos tratando de reemplazar el GPS", dijo la investigadora principal de Sandia, Jennifer Sanderson. "Simplemente estamos tratando de ayudarlo en situaciones en las que está degradado o comprometido", lo que puede generar situaciones peligrosas para pilotos y pasajeros.

No hay duda de que el GPS sigue siendo el estándar de oro para la navegación. Es rápido, preciso y confiable. Lo que podría plantear la pregunta:¿Por qué los investigadores están desarrollando nuevos métodos de navegación? "Me preocupa depender demasiado de él sin una copia de seguridad", afirmó Sanderson, experto en algoritmos de navegación.

El GPS, dijo, se ha convertido en parte del tejido de nuestro mundo tecnológico moderno. Como sociedad, estamos constantemente conectados a él, ya sea que aterricemos un avión, conduzcamos por la ciudad, mapeemos los rendimientos de las cosechas o programemos transacciones en los mercados de valores. Esta dependencia tiene a investigadores como Sanderson preocupados por las consecuencias si se interrumpe la conexión.

"Los impactos de la pérdida del GPS podrían sentirse en toda la sociedad", dijo. Las interrupciones en el GPS no son infrecuentes. Es cada vez más probable que los pilotos que vuelan cerca de zonas de conflicto pierdan el GPS o descubran que no es fiable. Cuanto más tiempo vuelen sin GPS, mayor será el riesgo de accidentes.

"Los receptores GPS comerciales son susceptibles a un par de amenazas diferentes, una de las cuales es la interferencia", dijo Sanderson. Los bloqueadores, dispositivos que abruman a los receptores con señales sin sentido en frecuencias GPS, son ilegales pero están disponibles comercialmente.

Otro problema, dijo, es la suplantación de identidad, que implica el uso de una señal falsa para engañar a los receptores haciéndoles creer que están en una ubicación diferente. La técnica no es ningún secreto, ya que las comunidades de jugadores la utilizan para hacer trampa en juegos basados en la ubicación como Pokémon Go.

"Hay aplicaciones reales que puedes descargar y que te permiten falsificar tu ubicación, y subreddits completos dedicados a mostrarte cómo usarlas para varios juegos", dijo Sanderson.

Si bien falsificar un juego puede ser relativamente inofensivo, Sanderson enfatizó que puede tener consecuencias en el mundo real cuando se dirige a un vehículo. Es posible que los pilotos no puedan distinguir si una señal es falsa o genuina, lo que los llevará en la dirección equivocada.

La idea de Sanderson de navegar utilizando señales que no sean GPS y que se encuentren cerca no es del todo nueva. Los científicos se refieren a ellas como “señales de oportunidad”, pero las han estudiado principalmente en la Tierra y cerca de ella. Se ha propuesto como una forma para que los vehículos autónomos naveguen a través de cañones urbanos, donde las señales de GPS están bloqueadas por edificios imponentes.

Sin embargo, no es una tarea sencilla. En lugar de extraer información de tiempo y ubicación de una señal de GPS, los receptores de señales de oportunidad a veces miden las características físicas de las ondas de radiofrecuencia.

Por ejemplo, pueden utilizar el efecto Doppler. Las ondas de radio de un satélite que se acerca a un receptor se comprimen a medida que viajan, mientras que las ondas de radio de un satélite que se aleja se estiran. Con algunas matemáticas avanzadas y suficientes señales, los científicos pueden determinar la fuente de las señales y calcular la posición del receptor.

Sanderson y su equipo están estudiando señales de oportunidad de navegación a gran altura. Si pueden recopilar datos de señales de la estratosfera, podrán desarrollar una forma de guiar vehículos, como aviones, utilizando una red de ondas de radiofrecuencia atmosféricas. "Entonces, atamos nuestras cargas útiles a estos globos meteorológicos y los lanzamos al aire", dijo.

Las cargas útiles, que consisten en paquetes electrónicos conectados a un par de antenas y agrupados en un refrigerador de espuma aislado, contienen la clave para comprender las señales que se encuentran muy por encima de las nubes. Se espera que las señales de los satélites sean fuertes, pero puede haber zonas muertas debido al patrón de transmisión en forma de cono que se estrecha más cerca de la fuente. La cobertura satelital en áreas rurales, como gran parte de Nuevo México, puede ser demasiado esporádica para ser útil. La intensidad de las señales de las torres de telefonía móvil se puede calcular teóricamente, pero es necesario caracterizarla para que sea útil en una situación del mundo real.

"Hasta ahora, la altitud más alta que hemos alcanzado es de unos 80 000 pies. En comparación, otros estudios que hemos visto se han centrado en 5000 a 7000 pies".

"El aspecto más importante de la navegación es comprender todas las fuentes de error", dijo Sanderson. "Mi objetivo es tener un conjunto de datos sólido para desarrollar algoritmos para sistemas en tiempo real, permitiendo pruebas de hardware utilizando datos reales del cielo en vivo".

Con el tiempo, un sistema de navegación funcional necesitará hacer coincidir las señales con sus transmisores en tiempo real y luego calcular la posición y la velocidad en relación con esas fuentes. Sin embargo, en esta etapa inicial de la investigación, su equipo está comparando manualmente las señales recibidas con los satélites cercanos utilizando datos de referencia. "Puede ser bastante tedioso. Por lo tanto, un aspecto importante que debemos abordar es la automatización de este proceso", afirmó.

"Aunque todavía estamos procesando los datos del vuelo, creemos que nuestros hallazgos preliminares indican que detectamos balizas de señales de torres de telefonía celular a nuestra altitud máxima de aproximadamente 82.000 pies. Si estas señales son lo suficientemente claras para la navegación, cambiarán significativamente lo que pensábamos que era posible para la navegación alternativa", dijo Sanderson.

Fuente