Sistema de Navegación Redundante Mantiene Aeronaves en Curso Cuando el GPS No Está Disponible

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

Experimento a 24.000 metros de altitud

Colgando de un globo meteorológico a 80.000 pies (24.384 metros) sobre Nuevo México, un par de antenas sobresale de una nevera de poliestireno. Las antenas están escuchando señales que podrían hacer que los viajes aéreos sean más seguros.

Investigadores de Sandia National Laboratories y la Universidad Estatal de Ohio están llevando tecnología experimental de navegación a los cielos, pioneros en un sistema de respaldo para mantener un avión en curso cuando no puede depender de satélites del sistema de posicionamiento global (GPS).

Señales de oportunidad: torres celulares y satélites no GPS

A más de 15 millas (24 km) debajo del flotador, las torres de telefonía celular emiten un zumbido constante de ondas de radiofrecuencia. Cientos de millas arriba, satélites de comunicaciones no GPS hacen lo mismo. La idea es usar estas señales alternativas para calcular la posición y velocidad de un vehículo.

"No estamos intentando reemplazar al GPS", dijo la investigadora principal de Sandia, Jennifer Sanderson. "Solo intentamos asistirlo en situaciones donde está degradado o comprometido", lo que puede llevar a situaciones peligrosas para pilotos y pasajeros.

Por qué preocupa la dependencia del GPS

No hay duda de que el GPS sigue siendo el estándar de oro para la navegación. Es rápido, preciso y fiable. Lo que podría plantear la pregunta: ¿por qué están desarrollando nuevos métodos de navegación los investigadores? "Me preocupa depender demasiado de él sin un respaldo", dijo Sanderson, experta en algoritmos de navegación.

El GPS, dijo, se ha convertido en parte del tejido de nuestro mundo moderno y tecnológico. Como sociedad, estamos constantemente conectados a él, ya sea aterrizando un avión, conduciendo por la ciudad, mapeando rendimientos de cultivos o cronometrando transacciones en mercados bursátiles. Esta dependencia tiene preocupados a investigadores como Sanderson sobre las consecuencias si la conexión se interrumpe.

"Los impactos de perder el GPS podrían sentirse en toda la sociedad", dijo. Las interrupciones del GPS no son infrecuentes. Los pilotos que vuelan cerca de zonas de conflicto son cada vez más propensos a perder el GPS o descubrir que no es fiable. Cuanto más tiempo vuelan sin GPS, mayor es el riesgo de accidentes.

Amenazas: interferencia (jamming) y suplantación (spoofing)

"Los receptores GPS comerciales son susceptibles a un par de amenazas diferentes, una siendo la interferencia (jamming)", dijo Sanderson. Los inhibidores, dispositivos que abruman los receptores con señales sin sentido en frecuencias GPS, son ilegales pero comercialmente disponibles.

Otro problema, dijo, es la suplantación (spoofing), que implica usar una señal falsa para engañar a los receptores haciéndoles creer que están en una ubicación diferente. La técnica no es secreta, ya que las comunidades de videojuegos la usan para hacer trampa en juegos basados en ubicación como Pokémon Go.

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

Aunque suplantar un juego puede ser relativamente inofensivo, Sanderson enfatizó que puede tener consecuencias en el mundo real cuando se dirige a un vehículo. Los pilotos podrían no ser capaces de distinguir si una señal es suplantada o genuina, llevándolos en la dirección equivocada.

Navegación por señales de oportunidad a gran altitud

La idea de Sanderson de navegar usando señales no GPS que suceden a estar cerca no es del todo nueva. Los científicos la llaman "señales de oportunidad" pero la han estudiado principalmente en tierra y cerca del suelo. Se ha propuesto como una forma para que vehículos autónomos naveguen por cañones urbanos, donde las señales GPS son bloqueadas por edificios imponentes.

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

Por ejemplo, pueden usar el efecto Doppler. Las ondas de radio de un satélite que se mueve hacia un receptor se comprimen mientras viajan, mientras que las ondas de radio de un satélite que se aleja se estiran. Con 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 la navegación por señales de oportunidad a grandes altitudes. Si pueden recopilar datos de señal de la estratosfera, pueden desarrollar una forma de guiar vehículos, como aeronaves, usando una red de ondas de radiofrecuencia atmosféricas. "Así que atamos nuestras cargas útiles a estos globos meteorológicos y los lanzamos al aire", dijo.

Cargas útiles y desafíos de señal

Las cargas útiles, que consisten en paquetes electrónicos unidos a un par de antenas y empaquetados en una nevera de espuma aislante, contienen la clave para entender las señales altas sobre las nubes. Se espera que las señales de satélite sean fuertes, pero puede haber zonas muertas debido al patrón de transmisión en forma de cono que se estrecha cerca de la fuente. La cobertura de satélite sobre áreas rurales, como gran parte de Nuevo México, puede ser demasiado esporádica para ser útil. La fuerza de las señales de torres celulares puede calcularse teóricamente, pero necesita caracterizarse para ser útil en una situación real.

"Hasta ahora, la mayor altitud que hemos alcanzado es de unos 80.000 pies. En comparación, otros estudios que hemos visto se han centrado en 5.000 a 7.000 pies."

"El lado muy importante de la navegación es entender todas tus fuentes de error", dijo Sanderson. "Mi objetivo es tener un conjunto de datos robusto para desarrollar algoritmos para sistemas en tiempo real, permitiendo pruebas de hardware usando datos reales de cielo en vivo."

Próximos pasos: automatización y validación

Eventualmente, un sistema de navegación funcional necesitará igualar señales a sus transmisores en tiempo real y luego calcular posición y velocidad relativas a esas fuentes. Sin embargo, en esta etapa temprana de la investigación, su equipo está emparejando manualmente las señales recibidas con satélites cercanos usando datos de referencia. "Puede ser bastante tedioso. Así que un gran aspecto que necesitamos abordar es automatizar este proceso", dijo.

"Aunque aún estamos procesando los datos de vuelo, creemos que nuestros hallazgos preliminares indican que detectamos balizas de señal de torres celulares en nuestra altitud máxima de unos 82.000 pies. Si estas señales son lo suficientemente limpias para la navegación, cambiará significativamente lo que pensábamos que era posible para la navegación alternativa", dijo Sanderson.

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