Die Fehlerbehebung bei den Navigationssystemen der Welt könnte den Transport rationalisieren und Leben retten
Als Kevin Wells 'Privatjet im Februar 2019 beim Anflug auf den Hayward Executive Airport in der kalifornischen Bay Area seinen GPS-Empfang verlor, holte er sein Handy heraus und fing an, die Instrumententafel zu filmen. Einige Sekunden lang blinken die Signale von über einem Dutzend GPS-Satelliten ab, bevor sie langsam zurückkehren, während Wells seinen Abstieg fortsetzt und schließlich sicher landet.
Wells filmte den Vorfall schnell, da dies nicht das erste Mal war, dass er GPS-Probleme hatte. Weniger als einen Monat zuvor war seine Cessna von einem ähnlichen Ausfall an fast derselben Stelle betroffen gewesen. "Zu diesem Zeitpunkt war mir ziemlich klar, dass es sich entweder um versehentliches oder absichtliches Stören handelte", sagte er gegenüber IEEE Spectrum. "Und ich wollte es aufspüren."
Wells war Opfer von GPS-Interferenzereignissen geworden, bei denen Schurken oder böswillige Signale die schwachen Signale von Navigationssatelliten im Orbit übertönen. Solche Ereignisse, die häufig mit US-Militärtests verbunden sind, können gefährliche Situationen und Beinaheunfälle verursachen. Eine kürzlich durchgeführte Spectrum-Untersuchung ergab, dass sie insbesondere im Westen der Vereinigten Staaten weitaus häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Nach dem zweiten Vorfall kontaktierte Wells den örtlichen Flugsicherungsturm, fragte andere Piloten und fuhr sogar mit einem tragbaren GPS-Empfänger um Hayward herum, um selbst nach der Ursache der Störung zu suchen, ohne Erfolg.
Glücklicherweise hatte Wells andere Möglichkeiten, das Rätsel zu lösen. Als Exekutivdirektor des Stanford Institute for Theoretical Physics kannte Wells viele Forscher der Universität. Er brachte sein Video zum GPS-Labor von Stanford Engineering, wo Professor Todd Walter bereits das Problem der GPS-Störung untersuchte.
Die US-amerikanische Federal Aviation Administration (FAA) und die Federal Communications Commission (FCC) verfügen über Verfahren, um Personen zu finden, die absichtlich oder versehentlich GPS-Signale stören. Als Piloten mysteriöse, sporadische GPS-Störungen in der Nähe des Flughafens Wilmington in North Carolina meldeten, identifizierte die FAA schließlich eine schlecht gestaltete Antenne im drahtlosen Steuerungs system eines Versorgungsunternehmens. "Aber das hat viele Wochen, vielleicht Monate gedauert", sagt Walter zu Spectrum. "Unser Ziel ist es, den Täter in wenigen Tagen aufzuspüren."
Walters Team arbeitete an einer Drohne, die lokale Signale im GPS-Band autonom ausspäht, ohne sich für die eigene Navigation auf GPS verlassen zu müssen. "Aber wir hatten keine Erlaubnis, Drohnen in Haywards Luftraum zu fliegen, und es war nicht ganz an dem Punkt, an dem wir es einfach starten und die Quelle der Störung suchen konnten", sagt Walter.
Stattdessen hatte Walter eine andere Idee. Warum nicht die GPS-Empfänger in anderen Flugzeugen verwenden, um eine Lösung zu finden? Alle modernen Flugzeuge sind mit ADS-B-Transpondern ausgestattet - Geräten, die ihren GPS-Standort, ihre Geschwindigkeit und ihren Kurs kontinuierlich übertragen, um die Flugsicherung zu unterstützen und mögliche Kollisionen zu vermeiden. Diese ADS-B-Signale werden von nahe gelegenen Flugzeugen, aber auch von vielen terrestrischen Sensoren erfasst, einschließlich eines Netzwerks von Open-Access-Empfängern, das von OpenSky, einem Schweizer gemeinnützigen Verein, organisiert wird.
Mit den vorliegenden OpenSky-Daten bestand die erste Aufgabe der Stanford-Forscher darin, Interferenzereignisse genau zu identifizieren. Sie stellten fest, dass die überwiegende Mehrheit der Fälle, in denen ADS-B-Empfänger Daten verloren, nichts mit Interferenzen zu tun hatte. Einige Empfänger waren unzuverlässig, während andere von Gebäuden oder Bäumen vor Flugzeugen verdeckt wurden.
Die Möglichkeit, den Verlust von Wells 'GPS-Signalen mit Daten aus der OpenSky-Datenbank zu verknüpfen, war ein wichtiger Schritt zur Charakterisierung einer echten Störung. Integrations- und Genauigkeitsindikatoren, die in den ADS-B-Datenstrom integriert sind, halfen den Forschern ebenfalls. „Ich denke, bestimmte Interferenzereignisse haben eine Eigenschaft, die wir jetzt erkennen können“, sagt Walter. "Aber ich würde mir Sorgen machen, dass es andere Interferenzereignisse geben könnte, für die wir nicht das Muster haben. Wir brauchen mehr Ressourcen und mehr Daten. “
Für die Hayward-Vorfälle gelang es Walters Team, zwischen Januar und März 2019 17 Tage potenzieller Störungen [PDF] zu identifizieren. Von den 265 Flugzeugen, die während dieser Zeit in der Nähe von Hayward flogen, zeigten die ADS-B-Daten, dass bei 25 wahrscheinlich GPS-Störungen aufgetreten waren. Diese intermittierende Störung hat nicht ausgereicht, um die Quelle der Signale einzugrenzen, sagt Walter: "Wir können sagen, dass es in dieser Region von Hayward ist, aber Sie möchten nicht zehn Stadtblöcke durchsuchen. Wir wollen es in einem Haus oder Gebäude lokalisieren. “
Walter hofft nun, seine Hayward-Studie erweitern zu können, indem er auf das FAA-eigene Netzwerk hochwertiger ADS-B-Empfänger zurückgreift, um mehr in den Daten verborgene Interferenzsignale aufzudecken.
Die Nutzung von ADS-B-Signalen ist nicht die einzige Möglichkeit für Forscher, den GPS-Empfang zu beheben. Anfang dieses Monats präsentierten John Stader und Sanjeev Gunawardena vom US Air Force Institute of Technology auf der PTTI 2021-Konferenz des Institute of Navigation ein Papier, in dem ein alternatives Interferenzer kennungs system beschrieben wurde.
Das AFIT-System verwendet ebenfalls freie und Open-Source-Daten, diesmal jedoch aus einem Netzwerk von kontinuierlich arbeitenden terrestrischen GPS-Empfängern auf der ganzen Welt. Diese liefern qualitativ hochwertige Daten zu GPS-Signalen in ihrer Nähe, die die AFIT-Forscher dann abgebaut haben, um Interferenzereignisse zu identifizieren. Sie waren in der Lage, 30 mögliche Störereignisse innerhalb von 24 Stunden innerhalb von Minuten nach dem Auftreten der Störung zu identifizieren. "Das Endziel dieser Forschungsanstrengungen ist die Schaffung eines weltweiten, automatisierten Systems zur Erkennung von Interferenzereignissen unter Verwendung öffentlich verfügbarer Daten", schreiben die Autoren.
Ein kleineres System wie dieses ist bereits am spanischen Flughafen Madrid in Betrieb, wo 11 GPS-Empfänger ständig auf Störungen oder versehentliche Störungen überwachen. "Die Installation ist kostspielig und dauert eine Weile", sagt Walter. "Ich bin der Meinung, dass große Flughäfen wahrscheinlich so etwas wollen, um ihren Luftraum zu schützen, aber für kleinere Flughäfen wie Hayward wird dies niemals möglich sein."
Ein weiteres Problem dieser beiden Systeme ist die geringe Anzahl von Sensoren, sagt Todd Humphreys, Direktor des Radionavigation Laboratory an der Universität von Texas in Austin: „Es gibt weltweit weniger als 3000 GPS-Referenzstationen mit öffentlich zugänglichen Daten. Diese können durch Hunderte von Meilen getrennt sein. Ebenso ist die weltweite Abdeckung durch Schiffe und Flugzeuge immer noch spärlich genug, um die Erkennung schwierig zu machen - und eine Lokalisierung ist nahezu unmöglich, außer in der Nähe von Häfen und Flughäfen. “
Humphreys bevorzugt die Verwendung von Satelliten zur Überwachung der Satelliten. Er veröffentlichte letztes Jahr einen Artikel, der sich mit einem GPS-Störsender in Syrien befasste. Aireon überwacht bereits ADS-B-Signale weltweit von Iridiums Satelliten mit mittlerer Erdumlaufbahn, während HawkEye 360 seine eigenen Hochfrequenz-Erfassungssatelliten im erdnahen Orbit (LEO) aufbaut.
"Das ist sehr aufregend", sagt Walter. "Wenn Sie über spezielle Geräte für diese LEO-Satelliten verfügen, kann dies sehr leistungsfähig und auf lange Sicht möglicherweise viel kostengünstiger sein als eine ganze Reihe von terrestrischen Sensoren."
Bis dahin müssen Piloten wie Kevin Wells ihren Verstand behalten, wenn sie durch Gebiete navigieren, in denen GPS-Störungen auftreten können. Die FAA warnte schließlich Piloten, die Hayward und einen Großteil der südlichen Bay Area abdeckten, und die Störung schien sich zu beruhigen. Walter hat sich jedoch kürzlich die ADS-B-Daten für 2020 in der Nähe von Hayward angesehen und 13 weitere potenziell gestaute Flüge gefunden.
"Es war kein großes Ereignis für mich, weil ich zu Beginn des zweiten Ereignisses aus den Wolken kam", sagt Wells über die Einmischung von 2019. „Aber wenn das Wetter schlecht gewesen wäre, hätte es eine große Sache sein können. Es würde ein Sicherheitsproblem geben. “