Un système de navigation redondant maintient l'avion sur sa trajectoire lorsque le GPS n'est pas disponible

INITIÉ AU Motion Design

De gauche à droite :Prabodh Jahveri, ingénieur électricien des Sandia National Laboratories, le stagiaire Will Barrett, le technologue Michael Fleigie et le stagiaire Summer Czarnowski préparent une charge utile pour le lancement d'un ballon météo. (Image :Craig Fritz)

Suspendue à un ballon météo à 80 000 pieds au-dessus du Nouveau-Mexique, une paire d'antennes dépasse d'une glacière en polystyrène. Les antennes écoutent les signaux qui pourraient rendre le voyage aérien plus sûr.

Des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et de l'université d'État de l'Ohio emmènent dans le ciel une technologie de navigation expérimentale, en mettant au point un système de secours permettant de maintenir un avion sur sa trajectoire lorsqu'il ne peut pas compter sur les satellites du système de positionnement global.

À plus de 24 km sous la glacière flottante, les tours de téléphonie cellulaire émettent un bourdonnement constant d’ondes radiofréquences. À des centaines de kilomètres au-dessus, les 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 Jennifer Sanderson, chercheuse principale chez Sandia. "Nous essayons simplement de l'assister dans les situations où il est dégradé ou compromis", ce qui peut conduire à des situations dangereuses pour les pilotes et les passagers.

Il ne fait aucun doute que le GPS reste la référence en matière de navigation. C’est rapide, précis et fiable. Ce qui pourrait soulever la question :pourquoi les chercheurs développent-ils de nouvelles méthodes de navigation ? "Je crains de trop m'en fier sans sauvegarde", a déclaré Sanderson, un expert en algorithmes de navigation.

Le GPS, a-t-elle déclaré, fait désormais partie du tissu de notre monde technologique moderne. En tant que société, nous y sommes constamment connectés, que ce soit en atterrissant, en traversant une ville, en cartographiant les rendements des cultures ou en chronométrant les transactions sur les marchés boursiers. Cette dépendance inquiète des chercheurs comme Sanderson quant aux conséquences si la connexion est interrompue.

« Les conséquences de la perte du GPS pourraient se faire sentir dans toute la société », a-t-elle déclaré. Les perturbations du GPS ne sont pas rares. Les pilotes volant à proximité de zones de conflit risquent de plus en plus de perdre leur GPS ou de découvrir qu'il n'est pas fiable. Plus ils volent longtemps sans GPS, plus le risque d'accident est élevé.

"Les récepteurs GPS commerciaux sont sensibles à plusieurs menaces différentes, l'une étant le brouillage", a déclaré Sanderson. Les brouilleurs, appareils qui submergent les récepteurs de signaux dénués de sens sur les fréquences GPS, sont illégaux mais disponibles dans le commerce.

Un autre problème, a-t-elle expliqué, est l'usurpation d'identité, 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 joueurs l'utilisent pour tricher dans des jeux géolocalisés comme Pokémon Go.

"Il existe de véritables applications que vous pouvez télécharger qui vous permettent d'usurper votre position, ainsi que des subreddits entiers dédiés à vous montrer comment l'utiliser pour divers jeux", a déclaré Sanderson.

Bien que l'usurpation d'un jeu puisse être relativement inoffensive, Sanderson a souligné qu'elle peut avoir des conséquences réelles lorsqu'elle est dirigée vers un véhicule. Les pilotes pourraient ne pas être en mesure de déterminer si un signal est falsifié ou authentique, ce qui les mènerait dans la mauvaise direction.

L’idée de Sanderson de naviguer à l’aide de signaux non GPS se trouvant à proximité n’est pas entièrement nouvelle. Les scientifiques l’appellent des « signaux d’opportunité », mais ils l’ont principalement étudié au sol et à proximité. Il a été proposé comme moyen pour les véhicules autonomes de naviguer dans les 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.

Ils peuvent par exemple utiliser l’effet Doppler. Les ondes radio d'un satellite se dirigeant vers un récepteur se compriment au fur et à mesure de leur déplacement, tandis que les ondes radio d'un satellite qui s'éloigne s'étirent. Avec quelques 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 parviennent à collecter des données sur les signaux de la stratosphère, ils pourront peut-être développer un moyen de guider des véhicules, tels que des avions, à l'aide d'un réseau d'ondes radiofréquences atmosphériques. "Nous attachons donc nos charges utiles à ces ballons météorologiques et les lançons dans les airs", a-t-elle déclaré.

Les charges utiles, constituées de boîtiers électroniques attachés à une paire d’antennes et regroupés dans un refroidisseur en mousse isolé, détiennent la clé de la compréhension des signaux au-dessus des nuages. Les signaux satellite devraient être forts, mais il peut y avoir des zones mortes en raison du modèle de transmission en forme de cône qui se rétrécit plus près de la source. La couverture par satellite dans les zones rurales, comme dans une grande partie du Nouveau-Mexique, est peut-être trop sporadique pour être utile. La force des signaux des tours de téléphonie cellulaire 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 avons atteinte est d'environ 80 000 pieds. En comparaison, d'autres études que nous avons vues se sont concentrées sur 5 000 à 7 000 pieds. "

"L'aspect très important de la navigation est de comprendre toutes vos sources d'erreur", a déclaré Sanderson. "Mon objectif est de disposer d'un ensemble de données robuste pour développer des algorithmes pour les systèmes en temps réel, permettant des tests matériels utilisant des données réelles du ciel."

À terme, un système de navigation fonctionnel devra faire correspondre les signaux à leurs émetteurs en temps réel, puis calculer la position et la vitesse par rapport à ces sources. Cependant, à ce stade précoce de la recherche, son équipe fait correspondre manuellement les signaux reçus aux satellites proches à l’aide de données de référence. "Cela peut être assez fastidieux. Un aspect important que nous devons donc aborder est l'automatisation de ce processus", a-t-elle déclaré.

"Alors que nous sommes encore en train de traiter les données de vol, nous pensons que nos résultats préliminaires indiquent que nous avons détecté des balises de signalisation de tours de téléphonie cellulaire à notre altitude maximale d'environ 82 000 pieds. Si ces signaux sont suffisamment propres pour la navigation, cela changera considérablement ce que nous pensions possible pour une navigation alternative", a déclaré Sanderson.

Source