Pomiar mikronów: dążenie do zbudowania lepszego GPS

GPS może poprowadzić Cię przez miasto lub cały kraj, pokonując zakurzone boczne drogi z taką samą łatwością, jak sześciopasmowe autostrady. Ale jak każdy, kto przypadkowo wrzucony do jeziora Mogę ci powiedzieć, że GPS nie jest doskonały. Nie może na przykład utrzymać Cię na określonym pasie, uniknąć pobliskich samochodów ani skierować Cię w dół rampy zjazdowej. Dlatego firma John Deere zbudowała lepszy system.

Tak, To John Deere.

Widzisz, system GPS, o którym większość ludzi wie, został zaprojektowany w latach 70. XX wieku i jest naprawdę niezwykły. Sieć 24 satelitów działa mniej więcej nieprzerwanie od 27 lat? Okrążasz glob z mroźnych zakątków kosmosu — bez przerwy obserwujesz i grzecznie pomagasz? Za darmo? Wspaniały. Został jednak zaprojektowany, aby zastąpić mapy papierowe, które rzadko mierzą co do cala. Samochody autonomiczne muszą wiedzieć nie tylko, że jedziesz autostradą 61, ale także: Dokładnie gdzie jesteś (nie mniej niż 75 mil na godzinę). Autonomiczne drony i traktory rolnicze przyczyniły się do renesansu wsi zwanego

rolnictwo precyzyjne — i do pracy, tego wymaga precyzja.

Aby dodać ten poziom szczegółowości – i ogólnie zmienić system – badacze pracowali nad zastąpieniem istniejącej floty satelitów nową iteracją zwaną GPS III. W zeszłym tygodniu firma zrobiła krok naprzód, kiedy SpaceX w końcu wrzuciła czwartego satelitę do swojego gwiaździstego łóżka. To długi proces: publikacja Lockheed Martin krótka historia wysiłków mających na celu modernizację systemu GPS w 2012 r., a wciąż dopiero zaczynamy. Całość ma zostać ukończona w 2023 roku, a koszt ma wynieść 6 miliardów dolarów.

Czy przemysł prywatny może zrobić to lepiej? Aby dowiedzieć się, co może zastąpić GPS, rozmawialiśmy z dwiema firmami wiodącymi w tym zakresie i opracowującymi alternatywy.

Jak Deere zbudował lepszy GPS

Zanim wytkniemy jego wady, pamiętajmy, że GPS to fantastyczny system. Rzeczywiście, trudno jest zrozumieć ambicję i śmiałość istniejącej konstelacji satelitów. Wyobraź sobie wyzwania stojące przed wypuszczeniem precyzyjnej anteny, która kosztuje kilkaset milionów dolarów i ma kształt mniej więcej ciężarówki z lodami Mister Softee. Aby dopełnić czynu, wojsko umieszcza go na rakiecie, która spala 2700 funtów ciekłego tlenu na minutę. po drugie, wyrzucając go w przestrzeń kosmiczną z prędkością 1 Macha… a następnie delikatnie wypuszczając na orbitę około 20 000 km z dala. Pamiętajcie, że średnica samej Ziemi wynosi zaledwie 12 000 km.

A teraz wyobraźcie sobie algorytmy i obliczenia niezbędne do utrzymania go na precyzyjnej orbicie, tak aby nigdy nie uderzał w inne satelity, stale nadajesz, baterie nigdy nie wysiadają, zegary ledwo tracą synchronizację, gdy miesiące zamieniają się w lata, a otrzymasz punkt. To ogromne osiągnięcie. Jednak to nie wystarczy.

Teoretycznie GPS ma dokładność do 3 stóp, ale w rzeczywistości to mniej więcej 15 stóp – wystarczająco dobrze, aby dotrzeć do sklepu spożywczego, ale jest mało precyzyjny. Na przykład, jeśli posadziłeś na swoim podwórku dwa tradycyjne pomidory i kilka ogórków, łatwo będzie uprawiać swoje maleńkie zbiory, nie mając pojęcia, gdzie podlewasz. Jeśli obsiewasz setki akrów, drobne błędy telemetryczne mogą Cię zrujnować.

„Dawne czasy, gdy cały dzień pracował, a może tata skończy i wróci do domu, do syna lub córki? To już prawie gotowe” – powiedział Digital Trends Al Savage, menedżer StarFire Network w firmie John Deere. „Rolnicy chcą większych plonów. Dokładność w zakresie sadzenia w rzędach, opryskiwania itp., dzięki czemu nie przejeżdżasz po swoich uprawach.”

Według NASA (Tak, To NASA), gdy rolnik przecina pole, ciągnąc za ciągnikiem siewnik, pług lub inny sprzęt, powstałe rzędy nakładają się na siebie w około 10 procentach. Oznacza to, że znaczna część pola otrzymuje podwójną ilość niezbędnych nasion, nawozów i pestycydów, a praca trwa dłużej niż to konieczne. Dzisiejsze traktory korzystają z cyfrowych systemów pozycjonowania, podobnie jak Twój samochód, ale wymagają zupełnie innego poziomu dokładności. Z pomocą agencji kosmicznej firma John Deere zbudowała lepszy system.

„Nazywają to różnicowym GPS” – powiedział Savage. Aby uzyskać szczegółowe dane o położeniu, których potrzebują współcześni rolnicy, firma Deere stworzyła na całym świecie szereg naziemnych punktów referencyjnych aby zebrać drugi zestaw danych pozycjonujących, ogromna ilość danych, które firma przesyła i przechowuje w dwóch głównych danych centra. Informacje te są przesyłane do zestawu satelitów geostacjonarnych prowadzonych przez firmę Inmarsat (John Deere wynajmuje na nich przestrzeń), a następnie przesyłane z powrotem do odbiorniki StarFire firmy w lokalnych traktorach – podróż w obie strony dłuższa niż podróż dookoła świata, ale trwająca mniej więcej tyle, co podróż w jedną stronę oddech.

„Mówisz o 12 13 000 mil, a w niektórych przypadkach 20 000 mil. Dzieje się to w ciągu pięciu sekund, więc możesz sobie wyobrazić, jak szybko to następuje i ile danych przepływa” – wyjaśnił Savage. Czas potrzebny, aby sygnał dotarł na Ziemię z satelitów GPS, w połączeniu z zegarami dryfującymi po orbicie bardzo nieznacznie niezsynchronizowany, a sygnał emitowany przez naładowane elektrycznie cząstki w naszej atmosferze powoduje zakłócenia w istniejącym systemie GPS dane nieprecyzyjne. Łącząc dane satelitarne z danymi z sieci naziemnej, Deere jest w stanie znacznie dokładniej określić lokalizację.

„Kiedy natryskujesz, chcesz być konkretny i precyzyjny. Pozwala to zaoszczędzić na herbicydach, grzybobójcach, pestycydach i opryskach” – zauważa Savage.

Jak 5G znajduje ścieżkę

Jeśli obecnie czytasz witrynę technologiczną, słyszałeś o całym szumie 5G. Nowa, szybka sieć komórkowa ma wiele zalet, z których najważniejszą jest szybkość. Qualcomm wykazał szczytową prędkość pobierania wynoszącą około 4,5 gigabita na sekundę i średnią prędkość transmisji danych wynoszącą około 1,4 gigabita na sekundę. To wystarczająco szybko, aby pobrać dwugodzinny film w około 17 sekund, w porównaniu do około 6 minut w przypadku obecnego połączenia 4G. Inaczej mówiąc, nowy 5G telefony będą około 1000 razy szybsze niż telefon, który aktualnie masz w kieszeni.

Ale 5G to coś więcej niż tylko telefony: Qualcomm jest o tym przekonany 5G będzie miał samochody jutra Rozmawiać ze sobą i opiekując się wami wszystkimi, będąc samotnymi. Aby to osiągnąć, chipy Qualcomm nie tylko szybciej przesyłają dane. Obsługują CV2X (komórkowy pojazd do wszystkiego) komunikacji, która zapewnia bezpośrednią komunikację pomiędzy samochodami i innymi inteligentnymi obiektami w infrastrukturze miasta.

Mało omawiana część planów motoryzacyjnych Qualcomm obejmuje zbudowanie systemu eliminującego problem precyzji GPS wynoszącej od 3 do 15 stóp. W tym celu firma oparła się na swoim istniejącym portfelu patentów; łączy dane z istniejących satelitów Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (w tym GPS, Europejski Galileo, Rosyjski GLONASSi więcej) za pomocą czegoś o nazwie VEPPlub precyzyjne pozycjonowanie poprawiające wzrok. Zasadniczo Qualcomm planuje wykorzystać obrazy z istniejących kamer wideo do dokładnego określenia lokalizacji samochodu.

„Koszt takiego rozwiązania nie jest astronomiczny” – powiedział Digital Trends Nakul Duggal, starszy wiceprezes ds. zarządzania produktami w Qualcomm. „Zasadniczo potrzebujesz standardowej kamery, takiej jaką masz dzisiaj… wszystko inne to coś, do czego już włączasz moduł telematyczny”.

Rzecz w tym, że CV2X był od lat marzeniem firm technologicznych i chociaż może być obiecujący, wiąże się również z wyzwaniami. Po pierwsze, pojawia się problem znalezienia pasma: organy regulacyjne rezerwują fragment widma na Pasmo 5,9 GHz do rozmów między pojazdami, ale wysiłki regulacyjne mające na celu przyspieszenie projektu poszły dosłownie nigdzie. Jak Ajit Pai, przewodniczący Federalnej Komisji Łączności (FCC) napisał w zeszłym miesiącu„Widmo 5,9 GHz zdecydowanie zbyt długo pozostawało odłogiem. Przez ostatnie dwie dekady Amerykanie czekali, aż to najlepsze spektrum średniopasmowe zostanie wykorzystane, a czas oczekiwania się skończył.

Nie, Amerykanie nie domagali się tego, pomimo awantury Pai; niewiele osób zastanawia się dwa razy nad przydziałem widma między śniadaniem a snem. Jednak podjęta w zeszłym miesiącu decyzja FCC dotycząca modernizacji pasma 5,9 GHz to dobra wiadomość dla C2VX. Jednak przed 5G w samochodach jeszcze długa droga.

Dodajmy do tego powolną oś czasu, na której działa 5G. Pierwszy 5G modemy mogą pojawić się w nowych pojazdach w 2022 r., a zaawansowane modele prawdopodobnie pojawią się dopiero w 2025 r., według Light Reading. Natomiast infrastruktura przydrożna umożliwiająca komunikację z tymi modemami w celu umożliwienia samodzielnej jazdy zostanie wdrożona komercyjnie dopiero około 2025 r. Tymczasem system StarFire firmy John Deere już współpracuje 5G, powiedział nam Savage wraz z GPS, rosyjskim GLONASS, QZSS, IRNN i innymi. Więc kiedy 5G jest szeroko stosowany, pomoże wypełnić szereg luk.

„Sądzę, że 5G będzie naprawdę pomocne, jeśli dotrze do rolników na obszarach wiejskich i na wyższych szerokościach geograficznych – w UE, Holandii 5G pomoże. Wszystko, co jest pagórkowate, gdzie położenie pojazdu, nierówność terenu, gdzie nie widać południowego krańca dla odbioru satelitów, 5G naprawdę pomoże” – powiedział Savage.

Warto w tym miejscu podkreślić jedną kwestię: GPS III, 5G i StarFire niekoniecznie są technologiami konkurencyjnymi. Żadna pojedyncza firma ani technologia nie zdominuje tej przestrzeni i nie sprawi, że inne staną się przestarzałe, i nie ma takiej potrzeby. Ważne jest, aby o tym pamiętać 5G ulepszy system Starfire firmy John Deere, a nie go zastąpi. GPS III będzie działać w połączeniu z – a nie przeciwko – 5G aby utrzymać autonomiczne samochody na torze. To różne drogi prowadzące do tego samego celu: lepszego pozycjonowania dla wszystkich i wszystkiego, bez względu na zastosowanie.

Dopóki? Unikaj jezior i trzymaj obie ręce na kierownicy. Ponieważ nowy GPS jest już blisko — ale możemy tam jechać tylko tak szybko.