중복 내비게이션 시스템은 GPS를 사용할 수 없을 때 항공기를 항로에 유지합니다

모션 디자인 내부자

왼쪽부터:Sandia National Laboratories의 전기 엔지니어 Prabodh Jahveri, 인턴 Will Barrett, 기술자 Michael Fleigie, 인턴 Summer Czarnowski가 기상 관측 기구 발사를 위한 탑재물을 준비하고 있습니다. (이미지 :크레이그 프리츠)

뉴멕시코 상공 80,000피트 상공의 기상 관측 기구에 매달려 있는 한 쌍의 안테나가 스티로폼 냉각기에서 튀어나와 있습니다. 안테나는 항공 여행을 더욱 안전하게 만들 수 있는 신호를 수신하고 있습니다.

샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)와 오하이오 주립 대학의 연구원들은 실험적인 항법 기술을 하늘로 가져가서 GPS(Global Positioning System) 위성에 의존할 수 없을 때 비행기가 항로를 유지하도록 하는 백업 시스템을 개척하고 있습니다.

부동 냉각기 아래 15마일 이상 떨어진 곳에 있는 휴대폰 타워에서는 무선 주파수가 꾸준히 웅웅거리고 있습니다. 수백 마일 위의 비GPS 통신 위성도 동일한 작업을 수행합니다. 아이디어는 이러한 대체 신호를 사용하여 차량의 위치와 속도를 계산하는 것입니다.

Sandia 수석 연구원인 Jennifer Sanderson은 "우리는 GPS를 대체하려는 것이 아닙니다."라고 말했습니다. "우리는 성능이 저하되거나 손상되는 상황에서 이를 지원하려고 노력할 뿐이며, 이는 조종사와 승객에게 위험한 상황으로 이어질 수 있습니다.

GPS가 여전히 내비게이션의 표준이라는 점에는 의문의 여지가 없습니다. 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있습니다. 다음 질문이 제기될 수 있습니다. 연구자들이 새로운 탐색 방법을 개발하는 이유는 무엇입니까? 내비게이션 알고리즘 전문가인 샌더슨은 "백업 없이 너무 많이 의존할까봐 걱정됩니다."라고 말했습니다.

그녀는 GPS가 현대 기술 세계의 일부가 되었다고 말했습니다. 사회로서 우리는 비행기를 착륙시키든, 도시를 운전하든, 작물 수확량을 지도로 작성하든, 주식 시장에서 거래를 시기를 정하든 끊임없이 사회에 연결되어 있습니다. 이러한 의존으로 인해 샌더슨과 같은 연구자들은 연결이 중단될 경우의 결과에 대해 우려하고 있습니다.

“GPS 상실로 인한 영향은 사회 전반에 걸쳐 느껴질 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. GPS 중단은 드문 일이 아닙니다. 분쟁 지역 근처를 비행하는 조종사는 GPS를 잃어버리거나 GPS가 신뢰할 수 없다는 사실을 발견할 가능성이 점점 더 커지고 있습니다. GPS 없이 비행 시간이 길어질수록 사고 위험도 높아집니다.

“상업용 GPS 수신기는 몇 가지 위협에 취약합니다. 그 중 하나는 전파 방해입니다.”라고 Sanderson은 말했습니다. GPS 주파수의 무의미한 신호로 수신기를 압도하는 방해 전파 장치는 불법이지만 상업적으로 이용 가능합니다.

그녀는 또 다른 문제는 스푸핑이라고 말했습니다. 이는 가짜 신호를 사용하여 수신자가 다른 위치에 있다고 믿게 만드는 것입니다. 이 기술은 게임 커뮤니티가 Pokémon Go와 같은 위치 기반 게임에서 부정행위를 하는 데 사용하기 때문에 비밀이 아닙니다.

"당신의 위치를 스푸핑할 수 있는 실제 앱을 다운로드할 수 있고, 다양한 게임에서 위치를 사용하는 방법을 보여주는 전용 하위 레딧도 있습니다."라고 샌더슨은 말했습니다.

게임을 스푸핑하는 것은 상대적으로 무해할 수 있지만 샌더슨은 차량을 대상으로 할 경우 실제 결과를 초래할 수 있다고 강조했습니다. 조종사는 신호가 가짜인지 진짜인지 구분하지 못해 잘못된 방향으로 이끌 수도 있습니다.

근처에 있는 GPS가 아닌 신호를 사용하여 탐색한다는 샌더슨의 아이디어는 완전히 새로운 것은 아닙니다. 과학자들은 이를 “기회 신호”라고 부르지만 주로 지상과 그 근처에서 연구해 왔습니다. 이는 우뚝 솟은 건물에 의해 GPS 신호가 차단되는 도시 협곡을 자율주행차가 탐색할 수 있는 방법으로 제안되었습니다.

그러나 이는 간단한 작업이 아닙니다. 기회 신호 수신기는 GPS 신호에서 시간 및 위치 정보를 추출하는 대신 무선 주파수의 물리적 특성을 측정하는 경우도 있습니다.

예를 들어 도플러 효과를 사용할 수 있습니다. 수신기를 향해 이동하는 위성의 전파는 이동하면서 압축되고, 멀어지는 위성의 전파는 늘어납니다. 일부 고급 수학과 충분한 신호를 통해 과학자들은 신호의 소스를 파악하고 수신기의 위치를 계산할 수 있습니다.

샌더슨과 그녀의 팀은 높은 고도에서 기회 신호 항법을 연구하고 있습니다. 성층권에서 신호 데이터를 수집할 수 있다면 대기 무선 주파수 네트워크를 이용해 항공기 등 차량을 유도하는 방법을 개발할 수도 있다. "그래서 우리는 기상 관측 기구에 탑재물을 묶어 공중으로 발사했습니다."라고 그녀는 말했습니다.

한 쌍의 안테나에 부착되고 절연 폼 쿨러에 묶인 전자 패키지로 구성된 페이로드는 구름 위의 신호를 이해하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 위성 신호는 강할 것으로 예상되지만, 소스에 가까워질수록 좁아지는 원뿔 모양의 전송 패턴으로 인해 데드존이 발생할 수 있습니다. 뉴멕시코의 많은 지역과 같이 시골 지역에 대한 위성 서비스 범위는 너무 산발적이어서 유용하지 않을 수 있습니다. 기지국 신호의 강도는 이론적으로 계산할 수 있지만 실제 상황에서 유용하도록 특성화해야 합니다.

"지금까지 우리가 도달한 최고 고도는 약 80,000피트입니다. 이에 비해 우리가 본 다른 연구에서는 5,000~7,000피트에 초점을 맞췄습니다."

Sanderson은 "탐색의 매우 중요한 측면은 모든 오류 원인을 이해하는 것입니다."라고 말했습니다. "제 목표는 실시간 시스템용 알고리즘을 개발하기 위한 강력한 데이터세트를 확보하여 실제 라이브 스카이 데이터를 사용하여 하드웨어 테스트를 가능하게 하는 것입니다."

결국 기능적 내비게이션 시스템은 실시간으로 신호를 송신기와 일치시킨 다음 해당 소스를 기준으로 위치와 속도를 계산해야 합니다. 그러나 연구의 초기 단계에서 그녀의 팀은 참조 데이터를 사용하여 수신된 신호를 근처 위성과 수동으로 일치시키고 있습니다. "매우 지루할 수 있습니다. 따라서 우리가 해결해야 할 가장 큰 측면 중 하나는 이 프로세스를 자동화하는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다.

"아직 비행 데이터를 처리하는 동안 우리는 예비 조사 결과 약 82,000피트의 최고 고도에서 셀 타워 신호 비컨을 감지한 것으로 나타났습니다. 이러한 신호가 내비게이션에 충분히 깨끗하다면 대체 내비게이션에 가능하다고 생각했던 것이 크게 바뀔 것입니다."라고 샌더슨은 말했습니다.

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