Sistem Navigasi Redundan Menjaga Pesawat Tetap Pada Jalurnya Saat GPS Tidak Tersedia

DALAM Desain Gerak

Dari kiri ke kanan:Insinyur listrik Laboratorium Nasional Sandia Prabodh Jahveri, pekerja magang Will Barrett, ahli teknologi Michael Fleigie, dan pekerja magang Summer Czarnowski menyiapkan muatan untuk peluncuran balon cuaca. (Gambar:Craig Fritz)

Menggantung di balon cuaca 80.000 kaki di atas New Mexico, sepasang antena menonjol dari pendingin styrofoam. Antena mendengarkan sinyal yang dapat membuat perjalanan udara lebih aman.

Para peneliti dari Sandia National Laboratories dan Ohio State University membawa teknologi navigasi eksperimental ke angkasa, memelopori sistem cadangan untuk menjaga pesawat tetap berada di jalurnya ketika tidak dapat bergantung pada satelit sistem penentuan posisi global.

Lebih dari 15 mil di bawah pendingin terapung, menara telepon seluler terus menerus mengeluarkan dengungan gelombang frekuensi radio. Ratusan mil di atas permukaan laut, satelit komunikasi non-GPS melakukan hal yang sama. Idenya adalah menggunakan sinyal alternatif ini untuk menghitung posisi dan kecepatan kendaraan.

“Kami tidak mencoba menggantikan GPS,” kata ketua peneliti Sandia, Jennifer Sanderson. “Kami hanya mencoba membantunya dalam situasi di mana ia mengalami degradasi atau gangguan,” yang dapat mengakibatkan situasi berbahaya bagi pilot dan penumpang.

Tidak diragukan lagi GPS masih menjadi standar emas untuk navigasi. Cepat, tepat, dan andal. Hal ini mungkin menimbulkan pertanyaan:Mengapa para peneliti mengembangkan metode navigasi baru? “Saya khawatir jika saya terlalu mengandalkannya tanpa cadangan,” kata Sanderson, pakar algoritme navigasi.

GPS, katanya, telah menjadi bagian dari dunia teknologi modern kita. Sebagai masyarakat, kita selalu terhubung dengan hal tersebut, baik saat kita mendaratkan pesawat, berkendara keliling kota, memetakan hasil panen, atau mengatur waktu transaksi di pasar saham. Ketergantungan ini membuat peneliti seperti Sanderson khawatir akan konsekuensinya jika koneksi terganggu.

“Dampak hilangnya GPS bisa dirasakan seluruh masyarakat,” ujarnya. Gangguan pada GPS bukanlah hal yang jarang terjadi. Pilot yang terbang di dekat daerah konflik semakin besar kemungkinannya kehilangan GPS atau merasa GPS tidak dapat diandalkan. Semakin lama mereka terbang tanpa GPS, semakin tinggi risiko kecelakaan.

“Penerima GPS komersial rentan terhadap beberapa ancaman berbeda, salah satunya adalah gangguan,” kata Sanderson. Jammer, perangkat yang membanjiri penerima dengan sinyal tidak berarti pada frekuensi GPS, bersifat ilegal namun tersedia secara komersial.

Masalah lainnya, katanya, adalah spoofing, yang melibatkan penggunaan sinyal palsu untuk menyesatkan penerima agar percaya bahwa mereka berada di lokasi yang berbeda. Teknik ini bukan rahasia lagi, karena komunitas game menggunakannya untuk melakukan cheat di game berbasis lokasi seperti Pokémon Go.

“Ada aplikasi sebenarnya yang dapat Anda unduh yang memungkinkan Anda memalsukan lokasi Anda, dan seluruh subreddit yang didedikasikan untuk menunjukkan kepada Anda cara menggunakannya untuk berbagai permainan,” kata Sanderson.

Meskipun memalsukan permainan mungkin relatif tidak berbahaya, Sanderson menekankan bahwa hal itu dapat menimbulkan konsekuensi nyata jika diarahkan pada kendaraan. Pilot mungkin tidak dapat mengetahui apakah suatu sinyal palsu atau asli, sehingga mengarahkan mereka ke arah yang salah.

Gagasan Sanderson untuk bernavigasi menggunakan sinyal non-GPS yang kebetulan berada di dekatnya bukanlah hal baru. Para ilmuwan menyebutnya sebagai “sinyal peluang” tetapi mereka terutama mempelajarinya di dalam dan di dekat permukaan tanah. Ini telah diusulkan sebagai cara bagi kendaraan otonom untuk bernavigasi melalui jurang perkotaan, di mana sinyal GPS diblokir oleh gedung-gedung yang menjulang tinggi.

Namun, ini bukanlah tugas yang mudah. Daripada mengambil informasi waktu dan lokasi dari sinyal GPS, penerima sinyal peluang terkadang mengukur karakteristik fisik gelombang frekuensi radio.

Misalnya, mereka bisa menggunakan efek Doppler. Gelombang radio dari satelit yang bergerak menuju penerima menjadi terkompresi saat bergerak, sedangkan gelombang radio dari satelit yang menjauh menjadi terentang. Dengan beberapa matematika tingkat lanjut dan sinyal yang cukup, ilmuwan dapat menentukan sumber sinyal dan menghitung posisi penerima.

Sanderson dan timnya sedang mempelajari navigasi sinyal peluang di dataran tinggi. Jika mereka dapat mengumpulkan data sinyal dari stratosfer, mereka mungkin dapat mengembangkan cara untuk memandu kendaraan, seperti pesawat terbang, menggunakan jaringan gelombang frekuensi radio di atmosfer. “Jadi, kami mengikat muatan kami ke balon cuaca ini dan meluncurkannya ke udara,” katanya.

Muatannya, yang terdiri dari paket elektronik yang dipasang pada sepasang antena dan dikemas dalam pendingin busa terisolasi, memegang kunci untuk memahami sinyal jauh di atas awan. Sinyal satelit diperkirakan kuat, namun mungkin terdapat zona mati karena pola transmisi berbentuk kerucut yang menyempit di dekat sumbernya. Cakupan satelit di wilayah pedesaan, seperti sebagian besar wilayah New Mexico, mungkin terlalu sporadis untuk bisa berguna. Kekuatan sinyal menara seluler dapat dihitung secara teoritis, namun perlu dikarakterisasi agar berguna dalam situasi dunia nyata.

"Sejauh ini, ketinggian tertinggi yang kami capai adalah sekitar 80.000 kaki. Sebagai perbandingan, penelitian lain yang kami lihat berfokus pada ketinggian 5.000 hingga 7.000 kaki."

“Sisi navigasi yang paling penting adalah memahami semua sumber kesalahan Anda,” kata Sanderson. “Tujuan saya adalah memiliki kumpulan data yang kuat untuk mengembangkan algoritme bagi sistem real-time, sehingga memungkinkan pengujian perangkat keras menggunakan data live-sky yang sebenarnya.”

Pada akhirnya, sistem navigasi yang berfungsi perlu mencocokkan sinyal ke pemancarnya secara real-time dan kemudian menghitung posisi dan kecepatan relatif terhadap sumber tersebut. Namun, pada tahap awal penelitian ini, timnya secara manual mencocokkan sinyal yang diterima dengan satelit terdekat menggunakan data referensi. "Ini bisa sangat membosankan. Jadi, satu aspek besar yang perlu kita atasi adalah mengotomatiskan proses ini," katanya.

"Sementara kami masih memproses data penerbangan, kami yakin temuan awal kami menunjukkan bahwa kami mendeteksi sinyal menara seluler di ketinggian puncak sekitar 82.000 kaki. Jika sinyal ini cukup bersih untuk navigasi, maka secara signifikan akan mengubah apa yang kami pikir mungkin dilakukan untuk navigasi alternatif," kata Sanderson.

Sumber