Medindo mícrons: a busca para construir um GPS melhor

O GPS pode guiá-lo pela cidade ou pelo país, navegando por estradas secundárias empoeiradas tão facilmente quanto em superestradas de seis pistas. Mas como qualquer um que esteja acidentalmente jogado em um lago posso te dizer, o GPS não é perfeito. Ele não pode mantê-lo em uma pista específica, por exemplo, ou desviar de carros próximos, ou conduzi-lo por uma rampa de saída. É por isso que a John Deere construiu um sistema melhor.

Sim, que John Deere.

Veja bem, o sistema GPS que a maioria das pessoas conhece foi projetado na década de 1970 e, pelo que é, é verdadeiramente notável. Uma rede de 24 satélites operando mais ou menos continuamente por 27 anos? Circulando pelo globo a partir dos confins gelados do espaço - observando incessantemente e dando uma mão educadamente? De graça? Maravilhoso. Mas foi projetado para substituir os mapas em papel, que raramente medem centímetros. Os carros autônomos precisam saber não apenas que você está na Rodovia 61, mas

exatamente onde você está (a 75 milhas por hora, nada menos). Drones e tratores autônomos para agricultura alimentaram um renascimento rural chamado agricultura de precisão - e para funcionar, é necessário precisão.

Para adicionar esse nível de detalhe – e revisar o sistema em geral – os pesquisadores têm trabalhado para substituir a frota existente de satélites por uma nova iteração chamada GPSIII. Na semana passada, deu-se um passo em frente, quando a SpaceX finalmente colocou um quarto satélite no seu leito estrelado. É um processo longo: Lockheed Martin publicou Uma breve história do esforço para atualizar o sistema GPS em 2012, e ainda estamos apenas começando. A obra toda deverá ser concluída em 2023, a um custo próximo de US$ 6 bilhões.

A indústria privada pode fazer isso melhor? Para ter uma visão interna do que pode suplantar o GPS, conversamos com duas empresas que lideram o processo e desenvolvem alternativas.

Como a Deere construiu um GPS melhor

Antes de apontar suas falhas, lembremos que o GPS é um sistema fantástico. Na verdade, é difícil compreender a ambição e a audácia da constelação de satélites existente. Imagine os desafios por trás do lançamento de uma antena de precisão que custa algumas centenas de milhões de dólares e tem o formato mais ou menos semelhante ao de um caminhão de sorvete Mister Softee. Para completar o feito, os militares colocam-no num foguete que queima 2.700 libras de oxigênio líquido por segundo, lançando-o para o espaço a Mach 1... e depois libertando-o suavemente em órbita a cerca de 21.000 quilómetros ausente. Lembre-se de que o diâmetro da Terra é de apenas 12.000 quilômetros.

Agora imagine os algoritmos e cálculos necessários para mantê-lo em uma órbita precisa, nunca atingindo os outros satélites, transmitindo constantemente, as baterias nunca falhando, os relógios mal saindo de sincronia à medida que os meses se transformam em anos, e você terá o ponto. É uma conquista enorme. No entanto, não é suficiente.

O GPS tem uma precisão de 3 pés, em teoria, mas na realidade é mais ou menos 15 pés – bom o suficiente para levá-lo ao supermercado, mas dificilmente preciso. Por exemplo, se você plantou dois tomates tradicionais e alguns pepinos em seu quintal, é fácil cultivar sua pequena colheita sem qualquer noção de onde você está regando. Se você estiver plantando centenas de hectares, pequenos erros de telemetria podem arruiná-lo.

“Os velhos tempos de trabalhar o dia todo e talvez o pai termine e volte para casa para o filho ou filha? Isso está praticamente feito”, disse Al Savage, gerente da StarFire Network da John Deere, à Digital Trends. “O que os agricultores querem é mais rendimento. Precisão em termos de plantio em linha, pulverização, etc., para que você não atropele suas plantações.”

De acordo com a NASA (sim, que NASA), quando um agricultor atravessa um campo puxando uma semeadora, um arado ou outro equipamento atrás de um trator, as linhas criadas se sobrepõem em cerca de 10%. Isto significa que uma parte significativa do campo recebe o dobro das sementes, fertilizantes e pesticidas necessários, e o trabalho leva mais tempo do que o necessário. Os tratores atuais utilizam sistemas de posicionamento digital tal como o seu carro, mas requerem um nível de precisão totalmente diferente. Assim, com a ajuda da agência espacial, a John Deere construiu um sistema melhor.

“GPS diferencial é como eles chamam”, disse Savage. Para obter os dados de posicionamento granulares de que os agricultores modernos necessitam, a Deere construiu uma série de locais de referência terrestres em todo o mundo para coletar um segundo conjunto de dados de posicionamento, uma grande quantidade de dados que a empresa transmite e armazena em dois dados principais centros. Essa informação é transmitida para um conjunto de satélites geoestacionários administrados pela Inmarsat (a John Deere aluga espaço neles) e depois transmitida de volta para os receptores StarFire da empresa em tratores locais – uma viagem de ida e volta que é mais longa do que percorrer o globo, mas leva quase tanto tempo quanto uma única respiração.

“Você está falando de 12, 13.000 milhas e, em alguns casos, 20.000 milhas. E isso acontece em cinco segundos, então você pode imaginar o quão rápido é e quantos dados estão fluindo”, explicou Savage. O tempo que um sinal leva para viajar até a Terra a partir dos satélites GPS, combinado com relógios em órbita à deriva ligeiramente fora de sincronia e ruído de sinal de partículas eletricamente carregadas em nossa atmosfera, torna o GPS existente dados imprecisos. Ao combinar os dados do satélite com os dados da sua rede terrestre, a Deere é capaz de triangular a localização com muito mais precisão.

“Quando você está pulverizando, você quer ser específico, preciso. Isso permite economizar em herbicidas, fungicidas, pesticidas e sprays”, observa Savage.

Como o 5G está encontrando um caminho

Se você lê um site de tecnologia hoje em dia, já ouviu o hype em torno 5G. Há uma variedade de benefícios na nova e rápida rede celular, o principal deles é a velocidade. A Qualcomm demonstrou velocidades máximas de download de cerca de 4,5 gigabits por segundo e velocidades médias de transmissão de dados de cerca de 1,4 gigabits por segundo. Isso é rápido o suficiente para baixar um filme de duas horas em cerca de 17 segundos, contra cerca de 6 minutos para uma conexão 4G atual. Em outras palavras, novos 5G os telefones serão cerca de 1.000 vezes mais rápidos do que o telefone que você tem no bolso.

Mas o 5G é mais do que telefones: a Qualcomm está convencida de que 5G terá os carros de amanhã falando um com o outro e acompanhando todos vocês sozinhos. Para fazer isso, os chips da Qualcomm fazem mais do que apenas transmitir dados com mais rapidez. Eles suportam CV2X (veículo celular para tudo) comunicação, que proporciona comunicações diretas entre carros e outros objetos inteligentes na infraestrutura de uma cidade.

Uma parte pouco discutida dos planos automotivos da Qualcomm envolve a construção de um sistema para eliminar o problema de precisão de 3 a 15 pés do GPS. Para fazer isso, a empresa baseou-se no seu portfólio de patentes existente; ele mescla dados de satélites existentes do Sistema Global de Navegação por Satélite (incluindo GPS, O Galileu da Europa, GLONASS da Rússiae mais) com algo chamado VEPP, ou posicionamento preciso aprimorado com visão. Em essência, a Qualcomm planeja usar imagens de câmeras de vídeo existentes para identificar a localização precisa de um carro.

“O custo para fazer isso não é astronômico”, disse Nakul Duggal, vice-presidente sênior de gerenciamento de produtos da Qualcomm, à Digital Trends. “Você basicamente precisa de uma câmera padrão como a que tem hoje… todo o resto é algo para o qual você já está habilitando a unidade telemática.”

Mas o problema é o seguinte: o CV2X tem sido um sonho entre as empresas de tecnologia há anos e, embora possa ser promissor, também apresenta desafios. Por um lado, há a questão de encontrar a largura de banda: os reguladores têm reservado uma fatia do espectro em 5,9 GHz para conversas entre veículos, mas os esforços regulatórios para levar o projeto adiante foram literalmente em lugar nenhum. Como Ajit Pai, presidente da Comissão Federal de Comunicações (FCC) escreveu no mês passado, “O espectro de 5,9 GHz ficou inativo por muito tempo. Nas últimas duas décadas, o povo americano esperou que este espectro de banda média principal fosse colocado em uso, e o tempo de espera acabou.”

Não, os americanos não têm clamado por isso, apesar da fanfarronice de Pai; poucas pessoas pensam duas vezes sobre a alocação do espectro entre o café da manhã e a cama. Mas a decisão da FCC no mês passado de modernizar a banda de 5,9 GHz é uma boa notícia para o C2VX. Ainda assim, o 5G nos carros ainda tem um longo caminho a percorrer.

Acrescente a isso a linha do tempo lânguida em que o 5G está operando. O primeiro 5G os modems poderão aparecer em veículos novos em 2022, e os modelos avançados provavelmente não chegarão até 2025, de acordo com a leitura leve. E a infraestrutura rodoviária para comunicar com esses modems para permitir a condução autónoma não deverá ser implementada comercialmente até cerca de 2025. Entretanto, o sistema StarFire da John Deere já funciona com 5G, Savage nos disse, junto com GPS, GLONASS da Rússia, QZSS, IRNN e outros. Então quando 5G for amplamente utilizado, ajudará a preencher uma série de lacunas.

“O 5G será realmente útil quando chegar aos agricultores em áreas rurais, em latitudes mais altas – UE, Holanda – eu acho 5G vai ajudar. Qualquer coisa que seja acidentada, onde a atitude do veículo, a aspereza do terreno, onde você não consiga ver realmente a extremidade sul para a receptividade do satélite, 5G vai realmente ajudar também”, disse Savage.

Vale ressaltar um ponto aqui: GPS III, 5G e StarFire não são necessariamente tecnologias concorrentes. Nenhuma empresa ou tecnologia irá dominar este espaço e tornar os outros obsoletos, nem é necessário. É importante notar que 5G irá melhorar o sistema Starfire da John Deere, não substituí-lo. O GPS III funcionará em conjunto com — e não contra — 5G para manter os carros autônomos no caminho certo. São caminhos diferentes que levam ao mesmo destino: melhor posicionamento para tudo e todos, independentemente da aplicação.

Até então? Desvie dos lagos e mantenha as duas mãos no volante. Porque um novo GPS está chegando - mas só podemos dirigir até lá muito rapidamente.