Measuring Microns: The Quest to Build a Better GPS

GPS kan guide deg gjennom byen eller over hele landet, og navigere støvete bakveier like enkelt som seksfelts motorveier. Men som alle som er ved et uhell kjørt inn i en innsjø kan fortelle deg at GPS ikke er perfekt. Den kan for eksempel ikke holde deg i et bestemt kjørefelt, unngå biler i nærheten, eller styre deg ned en avkjøringsrampe. Det er derfor John Deere bygde et bedre system.

Ja, at John Deere.

Du skjønner, GPS-systemet de fleste kjenner til ble designet på 1970-tallet, og for hva det er, er det virkelig bemerkelsesverdig. Et nettverk av 24 satellitter opererer mer eller mindre kontinuerlig i 27 år? Å sirkle rundt kloden fra de iskalde delene av verdensrommet - uendelig se på og høflig gi en hånd? Gratis? Herlig. Men den ble designet for å erstatte papirkart, som sjelden måler ned til tommelen. Autonome biler trenger ikke bare å vite at du er på Highway 61, men nøyaktig hvor du er (med 75 miles per time ikke mindre). Autonome droner og traktorer for jordbruk har drevet en landlig renessanse kalt

presisjonslandbruk — og å jobbe, det krever presisjon.

For å legge til det detaljnivået - og overhale systemet generelt - har forskere jobbet med å erstatte den eksisterende flåten av satellitter med en ny iterasjon kalt GPS III. Det tok et skritt fremover i forrige uke da SpaceX endelig løftet en fjerde satellitt opp i stjernesengen sin. Det er en lang prosess: Lockheed Martin publiserte en kort historie av arbeidet med å oppgradere GPS-systemet i 2012, og vi er fortsatt bare i gang. Det hele er ment å være ferdigstilt i 2023, til en kostnad som nærmer seg 6 milliarder dollar.

Kan privat industri gjøre det bedre? For å få et innblikk i hva som kan erstatte GPS, snakket vi med to selskaper som leder anklagen og utvikler alternativer.

Hvordan Deere bygget en bedre GPS

Før vi påpeker feilene, la oss huske på at GPS er et fantastisk system. Det er faktisk vanskelig å omslutte ambisjonene og frekkheten til den eksisterende satellittkonstellasjonen. Se for deg utfordringene bak å lansere en presisjonsantenne som koster noen hundre millioner dollar og er formet mer eller mindre som en Mister Softee isbil. For å fullføre gjerningen slår militæret den på en rakett som brenner 2700 pund flytende oksygen pr. for det andre, kaster den ut i verdensrommet ved Mach 1... og setter den forsiktig fri i bane rundt 13 000 miles borte. Husk at selve jordens diameter bare er 7900 miles.

Se nå for deg algoritmene og beregningene som er nødvendige for å holde den i en presis bane, uten å treffe de andre satellittene, sender konstant, batteriene svikter aldri, klokkene går så vidt ut av synkronisering ettersom månedene blir til år, og du får poenget. Det er en enorm prestasjon. Likevel er det ikke nok.

GPS er nøyaktig ned til 3 fot, i teorien, men i virkeligheten er den mer som 15 fot eller så – god nok til å ta deg til matbutikken, men neppe presis. For eksempel, hvis du har plantet to arvestykketomater og noen agurker i hagen din, er det lett å dyrke den lille høsten din uten noen følelse av hvor du vanner. Hvis du planter hundrevis av hektar, kan små telemetrifeil ødelegge deg.

«Gamle dager med å jobbe hele dagen og kanskje far blir ferdig og kommer hjem til sønnen eller datteren? Det er ganske mye gjort, sier Al Savage, StarFire Network-sjef hos John Deere, til Digital Trends. «Det bøndene vil ha er mer utbytte. Nøyaktighet når det gjelder radplanting, sprøyting osv., slik at du ikke kjører over avlingene dine.»

Ifølge NASA (ja, at NASA), når en bonde krysser en åker og trekker en såmaskin, plog eller annet utstyr bak en traktor, overlapper radene som lages med omtrent 10 prosent. Dette betyr at en betydelig del av åkeren mottar dobbelt nødvendig frø, gjødsel og plantevernmidler, og jobben tar lengre tid enn nødvendig. Dagens traktorer bruker digitale posisjoneringssystemer akkurat som bilen din, men krever et helt annet nivå av nøyaktighet. Så med hjelp fra romfartsorganisasjonen bygde John Deere et bedre system.

"Differensiell GPS er det de kaller det," sa Savage. For å få de detaljerte posisjoneringsdataene moderne bønder trenger, bygde Deere en serie bakkebaserte referansesteder over hele verden å samle et andre sett med posisjoneringsdata, en enorm mengde data selskapet overfører og lagre i to hoveddata sentre. Denne informasjonen sendes til et sett med geostasjonære satellitter drevet av Inmarsat (John Deere leier plass på dem), og sendes deretter tilbake til selskapets StarFire-mottakere på lokale traktorer – en rundtur som er lengre enn å strekke seg over hele kloden, men som tar omtrent like lang tid som en enkelt pust.

"Du snakker om 12, 13 000 miles, og i noen tilfeller 20 000 miles. Og dette skjer på fem sekunder, så du kan forestille deg hvor raskt det er og hvor mye data som flyter,» forklarte Savage. Tiden det tar et signal å reise til Jorden fra GPS-satellittene, kombinert med klokker i banedrift aldri så litt usynkronisert og signalstøy fra elektrisk ladede partikler i atmosfæren vår, gjør eksisterende GPS data upresise. Ved å kombinere satellittdataene med data fra bakkenettet, er Deere i stand til å triangulere plassering langt mer nøyaktig.

"Når du sprayer, vil du være spesifikk, presis. Det lar deg spare på ugressmidler, soppdrepende midler, sprøytemidler og sprayer, sier Savage.

Hvordan 5G finner en vei

Hvis du leser et teknologinettsted i disse dager, har du hørt hypen rundt 5G. Det er en rekke fordeler med det raske nye mobilnettverket, hvorav den fremste er hastighet. Qualcomm har demonstrert topp nedlastingshastigheter på rundt 4,5 gigabit per sekund og gjennomsnittlig dataoverføringshastighet på rundt 1,4 gigabit per sekund. Det er raskt nok til å laste ned en to-timers film på omtrent 17 sekunder, mot omtrent 6 minutter for en nåværende 4G-tilkobling. Nytt med andre ord 5G telefoner vil være omtrent 1000 ganger raskere enn telefonen i lommen din.

Men det er mer til 5G enn telefoner: Qualcomm er overbevist om det 5G vil ha morgendagens biler snakker med hverandre og chaperoning dere alle ved deres ensomme. For å gjøre det, gjør Qualcomms brikker mer enn bare å sende data raskere. De støtter CV2X (mobilbil-til-alt) kommunikasjon, som leverer direkte kommunikasjon mellom biler og andre smarte objekter i en bys infrastruktur.

En lite diskutert del av Qualcomms bilplaner innebærer å bygge et system for å eliminere GPS’ 3-til-15 fots presisjonsproblem. For å gjøre dette støttet selskapet seg på sin eksisterende patentportefølje; den slår sammen data fra eksisterende Global Navigation Satellite System-satellitter (inkludert GPS, Europas Galileo, Russlands GLONASS, og mer) med noe som heter VEPP, eller synsforbedret presis posisjonering. I hovedsak planlegger Qualcomm å bruke bilder fra eksisterende videokameraer for å finne en bils nøyaktige plassering.

"Kostnaden for å gjøre dette er ikke astronomisk," sa Nakul Duggal, senior visepresident for produktledelse for Qualcomm, til Digital Trends. "Du trenger i utgangspunktet et standardkamera som du har i dag... alt annet er noe du allerede aktiverer telematikkenheten for."

Men her er tingen: CV2X har vært en drøm blant teknologiselskaper i årevis, og selv om det kan holde lovende, har det også utfordringer. For det første er det spørsmålet om å finne båndbredden: Regulatorer har reservert en del av spekteret på 5,9 GHz for bil-til-kjøretøy-skravling, men regulatoriske anstrengelser for å bringe prosjektet fremover har gått bokstavelig talt ingen steder. Som Ajit Pai, styreleder for Federal Communications Commission (FCC) skrev forrige måned, «5,9 GHz-spekteret har ligget brakk altfor lenge. I de siste to tiårene har det amerikanske folket ventet på at dette førsteklasses mellombåndsspekteret skal tas i bruk, og tiden for å vente er over.»

Nei, American's har ikke ropt etter dette, til tross for Pais blaster; få mennesker tenker to ganger på spektrumallokering mellom frokost og seng. Men FCCs trekk forrige måned for å modernisere 5,9 GHz-båndet er gode nyheter for C2VX. Likevel har 5G i biler en lang vei å gå.

Legg til det den sløve tidslinjen 5G har vært på. Den første 5G modemer kan dukke opp i nye kjøretøy i 2022, og avanserte modeller kommer sannsynligvis ikke før i 2025, ifølge Light Reading. Og veikantinfrastruktur for å kommunisere med disse modemene for å muliggjøre selvkjøring er ikke planlagt for kommersiell distribusjon før rundt 2025. I mellomtiden fungerer John Deere sitt StarFire-system allerede med 5G, fortalte Savage oss, sammen med GPS, Russlands GLONASS, QZSS, IRNN og andre. Så når 5G er utbredt, vil det bidra til å fylle en rekke hull.

"5G kommer til å være veldig nyttig når det kommer til bønder i landlige områder, på høyere breddegrader - EU, Nederland - tror jeg 5G vil hjelpe. Alt som er kupert, hvor kjøretøyets holdning, terrengets ruhet, hvor du egentlig ikke kan se sørenden for satellittmottakelse, 5G vil virkelig hjelpe også, sa Savage.

Det er verdt å understreke ett poeng her: GPS III, 5G og StarFire er ikke nødvendigvis konkurrerende teknologier. Ingen enkelt selskap eller teknologi kommer til å dominere dette rommet og gjøre de andre foreldet, og det trenger det heller ikke. Det er viktig å merke seg det 5G vil forbedre John Deeres Starfire-system, ikke erstatte det. GPS III vil fungere sammen med – ikke mot – 5G for å holde autonome biler på sporet. De er alle forskjellige veier som fører til samme destinasjon: Bedre posisjonering for alle og alt, uansett applikasjon.

Inntil da? Unngå innsjøene og hold begge hendene på rattet. Fordi en ny GPS er rett oppe i veien - men vi kan bare kjøre dit så raskt.