Système de navigation redondant maintient les avions sur la route quand le GPS est indisponible

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De gauche à droite : l'ingénieur électrique des Laboratoires nationaux de Sandia Prabodh Jahveri, le stagiaire Will Barrett, le technologue Michael Fleigie, et la stagiaire Summer Czarnowski préparent une charge utile pour un lancement de ballon météo. (Image : Craig Fritz)

Écouter les signaux d'opportunité

Suspendu à un ballon météo à 24 000 mètres (80 000 pieds) au-dessus du Nouveau-Mexique, un couple d'antennes dépasse d'une glacière en polystyrène. Les antennes écoutent des signaux qui pourraient rendre le transport aérien plus sûr.

Des chercheurs des Laboratoires nationaux de Sandia et de l'Université d'État de l'Ohio font voler une technologie de navigation expérimentale, pionnière d'un système de secours pour maintenir un avion sur sa route lorsqu'il ne peut pas compter sur les satellites du système de positionnement global (GPS).

À plus de 24 km (15 miles) sous le refroidisseur flottant, les tours de téléphonie mobile émettent un bourdonnement constant d'ondes radiofréquences. À des centaines de kilomètres au-dessus, des satellites de communication non-GPS font de même. L'idée est d'utiliser ces signaux alternatifs pour calculer la position et la vitesse d'un véhicule.

« Nous n'essayons pas de remplacer le GPS », a déclaré la chercheuse principale de Sandia, Jennifer Sanderson. « Nous essayons juste de l'assister dans les situations où il est dégradé ou compromis », ce qui peut entraîner des situations dangereuses pour les pilotes et les passagers.

Pourquoi une alternative au GPS ?

Il n'y a aucun doute que le GPS reste la référence en matière de navigation. Il est rapide, précis et fiable. Ce qui pourrait soulever la question : pourquoi les chercheurs développent-ils de nouvelles méthodes de navigation ? « Je m'inquiète de trop compter sur lui sans filet de sécurité », a déclaré Sanderson, experte en algorithmes de navigation.

Le GPS, a-t-elle dit, est devenu partie intégrante du tissu de notre monde moderne technologique. En tant que société, nous y sommes constamment connectés, que nous atterrissions un avion, conduisions en ville, cartographions les rendements des cultures ou chronomètrions les transactions sur les marchés boursiers. Cette dépendance préoccupe des chercheurs comme Sanderson quant aux conséquences si la connexion est perturbée.

« Les impacts de la perte du GPS pourraient se faire sentir dans toute la société », a-t-elle dit. Les perturbations du GPS ne sont pas rares. Les pilotes volant près de zones de conflit sont de plus en plus susceptibles de perdre le GPS ou de découvrir qu'il est peu fiable. Plus ils volent sans GPS, plus le risque d'accidents est élevé.

« Les récepteurs GPS commerciaux sont sensibles à quelques menaces différentes, l'une étant le brouillage », a déclaré Sanderson. Les brouilleurs, des dispositifs qui submergent les récepteurs avec des signaux sans signification sur les fréquences GPS, sont illégaux mais disponibles dans le commerce.

Un autre problème, a-t-elle dit, est le leurrage (spoofing), qui consiste à utiliser un faux signal pour induire les récepteurs en erreur en leur faisant croire qu'ils se trouvent à un endroit différent. La technique n'est pas un secret, car les communautés de jeux l'utilisent pour tricher dans des jeux basés sur la localisation comme Pokémon Go.

« Il existe de vraies applications que vous pouvez télécharger et qui vous permettent de leurrer votre position, et des sous-forums entiers dédiés à vous montrer comment l'utiliser pour divers jeux », a déclaré Sanderson.

Bien que leurrer un jeu puisse être relativement inoffensif, Sanderson a souligné que cela peut avoir des conséquences réelles lorsqu'il est dirigé vers un véhicule. Les pilotes pourraient ne pas être en mesure de dire si un signal est leurré ou authentique, les conduisant dans la mauvaise direction.

Navigation par signaux d'opportunité à haute altitude

L'idée de Sanderson de naviguer en utilisant des signaux non-GPS qui se trouvent à proximité n'est pas entièrement nouvelle. Les scientifiques l'appellent « signaux d'opportunité » mais l'ont principalement étudiée sur et près du sol. Elle a été proposée comme un moyen pour les véhicules autonomes de naviguer dans des canyons urbains, où les signaux GPS sont bloqués par des bâtiments imposants.

Cependant, ce n'est pas une tâche simple. Au lieu d'extraire des informations de temps et de localisation à partir d'un signal GPS, les récepteurs de signaux d'opportunité mesurent parfois les caractéristiques physiques des ondes radiofréquences à la place.

Par exemple, ils peuvent utiliser l'effet Doppler. Les ondes radio d'un satellite se rapprochant d'un récepteur se compressent pendant leur trajet, tandis que les ondes radio d'un satellite s'éloignant s'étirent. Avec des mathématiques avancées et suffisamment de signaux, les scientifiques peuvent déterminer la source des signaux et calculer la position du récepteur.

Sanderson et son équipe étudient la navigation par signaux d'opportunité à haute altitude. S'ils peuvent collecter des données de signaux depuis la stratosphère, ils pourraient développer un moyen de guider des véhicules, comme des avions, en utilisant un réseau d'ondes radiofréquences atmosphériques. « Alors, nous attachons nos charges utiles à ces ballons météo et les lançons dans les airs », a-t-elle dit.

Les charges utiles, qui consistent en des paquets électroniques attachés à une paire d'antennes et regroupés dans une glacière en mousse isolée, détiennent la clé pour comprendre les signaux haut au-dessus des nuages. Les signaux satellites devraient être forts, mais il peut y avoir des zones mortes en raison du motif de transmission en cône qui se rétrécit près de la source. La couverture satellite sur les zones rurales, comme une grande partie du Nouveau-Mexique, peut être trop sporadique pour être utile. La force des signaux des tours cellulaires peut être calculée théoriquement, mais elle doit être caractérisée pour être utile dans une situation réelle.

« Jusqu'à présent, l'altitude la plus élevée que nous ayons atteinte est d'environ 24 000 mètres (80 000 pieds). En comparaison, d'autres études que nous avons vues se sont concentrées sur 1 500 à 2 100 mètres (5 000 à 7 000 pieds). »

« Le côté très important de la navigation est de comprendre toutes vos sources d'erreur », a déclaré Sanderson. « Mon objectif est d'avoir un ensemble de données robuste pour développer des algorithmes pour des systèmes en temps réel, permettant des tests matériels en utilisant des données réelles du ciel. »

Finalement, un système de navigation fonctionnel devra faire correspondre les signaux à leurs émetteurs en temps réel et ensuite calculer la position et la vitesse par rapport à ces sources. Cependant, à ce stade précoce de la recherche, son équipe fait manuellement correspondre les signaux reçus aux satellites proches en utilisant des données de référence. « Cela peut être assez fastidieux. Donc, un grand aspect que nous devons aborder est l'automatisation de ce processus », a-t-elle dit.

« Bien que nous traitions encore les données de vol, nous pensons que nos résultats préliminaires indiquent que nous avons détecté des balises de signaux de tours cellulaires à notre altitude de pointe d'environ 25 000 mètres (82 000 pieds). Si ces signaux sont assez propres pour la navigation, cela changera considérablement ce que nous pensions possible pour la navigation alternative », a déclaré Sanderson.

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