휴대전화 신호가 비행기 착륙에 도움이 될 수 있을까?

뉴멕시코 상공 80,000피트 상공의 기상 풍선에 매달려 있는 안테나 한 쌍이 스티로폼 쿨러에서 튀어나와 있습니다. 그 높이에서 우주의 어둠이 지구의 푸른 하늘을 압박합니다. 하지만 안테나는 숨 막힐 듯한 경치에 사로잡히지 않습니다. 대신, 그들은 항공 여행을 더 안전하게 만들 수 있는 신호를 듣습니다.

샌디아 국립연구소와 오하이오 주립대학의 연구자들은 실험적 항해 기술을 하늘로 가져가, GPS 위성에 의존할 수 없을 때 비행기가 진로를 유지할 수 있는 백업 시스템을 개척하고 있습니다.

떠다니는 쿨러 아래 15마일 이상 떨어진 곳에서 휴대전화 타워는 꾸준한 무선 주파수 파동을 내뿜습니다. 수백 마일 위에서는 GPS가 아닌 통신 위성도 같은 소리를 냅니다.

아이디어는 이러한 대체 신호를 사용하여 차량의 위치와 속도를 계산하는 것입니다.

"우리는 GPS를 대체하려는 것이 아닙니다." Sandia의 수석 연구원인 Jennifer Sanderson이 말했습니다. "우리는 단지 GPS가 저하되거나 손상되는 상황에서 GPS를 지원하려고 할 뿐입니다." 이는 조종사와 승객에게 위험한 상황으로 이어질 수 있습니다.

이 팀은 9월 16일부터 20일까지 볼티모어에서 열린 Institute of Navigation GNSS+ 컨퍼런스에서 예비 데이터를 발표했습니다. 이 연구는 Sandia의 Laboratory Directed Research and Development 프로그램의 지원을 받았습니다.

GPS 백업의 경우

GPS가 여전히 항해의 황금 표준이라는 데는 의심의 여지가 없습니다. 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있습니다. 그러면 연구자들이 새로운 항해 방법을 개발하는 이유가 무엇일까요?

"백업 없이 이것에 너무 의존하는 것이 걱정입니다." 항해 알고리즘 전문가인 샌더슨의 말입니다.

GPS는 우리의 현대적이고 기술적인 세계의 일부가 되었다고 그녀는 말했습니다. 우리는 사회에서 비행기를 착륙시키거나, 마을을 운전하거나, 작물 수확량을 지도로 표시하거나, 주식 시장에서 거래 시간을 측정하든 항상 GPS에 연결되어 있습니다. 이러한 의존성 때문에 샌더슨과 같은 연구자들은 연결이 끊어질 경우의 결과에 대해 우려하고 있습니다.

"GPS를 잃는 것의 영향은 사회 전반에 걸쳐 느껴질 수 있습니다." 그녀는 말했습니다. GPS가 중단되는 일은 드문 일이 아닙니다. 갈등 지역 근처를 비행하는 조종사는 GPS를 잃거나 신뢰할 수 없다는 것을 발견할 가능성이 점점 더 커지고 있습니다. GPS 없이 비행하는 시간이 길어질수록 사고 위험이 높아집니다.

"상업용 GPS 수신기는 여러 가지 위협에 취약한데, 그 중 하나는 방해입니다." 샌더슨이 말했다. GPS 주파수에서 무의미한 신호로 수신기를 압도하는 장치인 방해기는 불법이지만 상업적으로 판매됩니다.

또 다른 문제는 스푸핑이라고 그녀는 말했습니다. 스푸핑은 가짜 신호를 사용하여 수신자가 다른 위치에 있다고 믿게 하는 것을 포함합니다. 이 기술은 비밀이 아니며, 게임 커뮤니티는 포켓몬 고와 같은 위치 기반 게임에서 부정행위를 하기 위해 이를 사용합니다.

샌더슨은 "실제로 다운로드해서 자신의 위치를 ​​속일 수 있는 앱도 있고, 다양한 게임에서 이를 사용하는 방법을 보여주는 전용 서브레딧도 있습니다."라고 말했습니다.

게임을 스푸핑하는 것은 비교적 무해할 수 있지만, 샌더슨은 그것이 차량에 향할 때 현실 세계에 영향을 미칠 수 있다고 강조했습니다. 조종사는 신호가 스푸핑인지 진짜인지 알 수 없어서 잘못된 방향으로 이끌 수 있습니다.

프로젝트는 고고도에서의 기회 신호를 연구합니다

근처에 있는 GPS가 아닌 신호를 사용하여 탐색한다는 샌더슨의 아이디어는 전혀 새로운 것이 아니다. 과학자들은 이를 "기회의 신호"라고 부르지만 주로 지상과 근처에서 연구했다. 이는 GPS 신호가 높은 건물에 의해 차단된 도시 협곡을 자율 주행 차량이 탐색할 수 있는 방법으로 제안되었다.

하지만 간단한 작업은 아닙니다. GPS 신호에서 시간과 위치 정보를 추출하는 대신, 기회 신호 수신기는 때때로 대신 무선 주파수파의 물리적 특성을 측정합니다.

예를 들어, 그들은 도플러 효과라고 불리는 것을 사용할 수 있습니다. 수신기를 향해 움직이는 위성의 전파는 이동하면서 압축되고, 멀어지는 위성의 전파는 늘어납니다. 고급 수학과 충분한 신호로 과학자들은 신호의 출처를 파악하고 수신기의 위치를 ​​계산할 수 있습니다.

샌더슨과 그녀의 팀은 고고도에서 신호 기회 항법을 연구하고 있습니다. 성층권에서 신호 데이터를 수집할 수 있다면 대기 무선 주파수 파동 네트워크를 사용하여 항공기와 같은 차량을 안내하는 방법을 개발할 수 있을 것입니다. "그래서 우리는 이 기상 풍선에 탑재물을 묶어 공중으로 발사합니다."라고 그녀는 말했습니다.

안테나 한 쌍에 부착된 전자 패키지로 구성되어 단열 폼 쿨러에 묶인 페이로드는 구름 위 높은 곳의 신호를 이해하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 위성 신호는 강력할 것으로 예상되지만, 소스에 가까워질수록 좁아지는 원뿔 모양의 전송 패턴으로 인해 사각 지대가 있을 수 있습니다. 뉴멕시코 대부분과 같은 시골 지역의 위성 커버리지는 너무 산발적이어서 유용하지 않을 수 있습니다. 셀 타워 신호의 강도는 이론적으로 계산할 수 있지만 실제 상황에서 유용하려면 특성화해야 합니다.

"지금까지 우리가 도달한 가장 높은 고도는 약 80,000피트입니다. 비교해보면, 우리가 본 다른 연구들은 5,000~7,000피트에 집중했습니다."

데이터 처리가 팀의 과학적 여정의 다음 단계입니다

연구자들이 첫 번째 일괄 데이터를 처리하면서 그들은 새로운 이정표와 새로운 과제를 기대합니다.

샌더슨은 "내비게이션의 섹시하지는 않지만 매우 중요한 측면은 모든 오류 소스를 이해하는 것입니다."라고 말했습니다. "제 목표는 실시간 시스템을 위한 알고리즘을 개발하고 실제 라이브 스카이 데이터를 사용하여 하드웨어 테스트를 가능하게 하는 강력한 데이터 세트를 갖는 것입니다."

결국, 기능적인 내비게이션 시스템은 실시간으로 신호를 송신기와 매칭한 다음 해당 소스에 대한 위치와 속도를 계산해야 합니다. 그러나 연구의 이 초기 단계에서 그녀의 팀은 참조 데이터를 사용하여 수신된 신호를 근처 위성과 수동으로 매칭하고 있습니다.

"꽤 지루할 수 있습니다. 그래서 우리가 해결해야 할 큰 측면 중 하나는 이 과정을 자동화하는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다.

그녀는 어려움에도 불구하고 낙관적인 태도를 유지합니다.

"아직 비행 데이터를 처리하고 있지만, 우리의 예비 조사 결과에 따르면 약 82,000피트의 최고 고도에서 셀 타워 신호 비콘을 감지한 것으로 보입니다. 이 신호가 항해에 충분히 깨끗하다면, 우리가 생각했던 대체 항해의 가능성을 크게 바꿀 것입니다." 샌더슨이 말했습니다.

Sandia National Laboratories는 Honeywell International Inc.의 전액 출자 자회사인 Sandia LLC의 National Technology and Engineering Solutions에서 운영하는 다중임무 연구소로, 미국 에너지부 산하 국가핵안보청을 위해 운영됩니다. Sandia Labs는 핵 억제, 세계적 안보, 방위, 에너지 기술 및 경제적 경쟁력 분야에서 주요 연구 및 개발 책임을 맡고 있으며, 주요 시설은 뉴멕시코주 앨버커키와 캘리포니아주 리버모어에 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241022133242.htm