Measuring Microns: The Quest to Build a Better GPS

GPS kan guida dig genom stan eller över landet och navigera på dammiga bakvägar lika enkelt som sexfiliga motorvägar. Men som alla som är av misstag kört i en sjö kan säga dig att GPS inte är perfekt. Den kan till exempel inte hålla dig i ett specifikt körfält, undvika bilar i närheten eller styra dig nerför en avfartsramp. Det är därför John Deere byggde ett bättre system.

Ja, den där John Deere.

Du förstår, GPS-systemet de flesta känner till designades på 1970-talet, och för vad det är är det verkligen anmärkningsvärt. Ett nätverk av 24 satelliter arbeta mer eller mindre kontinuerligt i 27 år? Att kretsa runt jordklotet från rymdens kyliga räckvidder — oändligt titta på och artigt ge en hand? Gratis? Underbar. Men den var designad för att ersätta papperskartor, som sällan mäter ner till tum. Autonoma bilar behöver inte bara veta att du är på Highway 61 utan också exakt där du är (med 75 miles per timme inte mindre). Autonoma drönare och traktorer för jordbruk har underblåst en landsbygdsrenässans som kallas

precisionsjordbruk — och att arbeta, det kräver precision.

För att lägga till den detaljnivån - och se över systemet i allmänhet - har forskare arbetat med att ersätta den befintliga flottan av satelliter med en ny iteration som kallas GPS III. Det tog ett steg framåt förra veckan när SpaceX äntligen höjde en fjärde satellit i sin stjärnklara säng. Det är en lång process: Lockheed Martin publicerade en kort historia av ansträngningarna att uppgradera GPS-systemet 2012, och vi har fortfarande bara börjat. Det hela är tänkt att vara klart 2023, till en kostnad som närmar sig 6 miljarder dollar.

Kan privat industri göra det bättre? För att få en inblick i vad som kan ersätta GPS, pratade vi med två företag som leder laddningen och utvecklar alternativ.

Hur Deere byggde en bättre GPS

Innan vi påpekar dess brister, låt oss komma ihåg att GPS är ett fantastiskt system. Det är faktiskt svårt att linda huvudet kring ambitionen och fräckheten hos den befintliga satellitkonstellationen. Föreställ dig utmaningarna bakom att lansera en precisionsantenn som kostar några hundra miljoner spänn och är formad mer eller mindre som en Mister Softee glassbil. För att fullborda dådet slår militären den på en raket som bränner 2 700 pund flytande syre pr. för det andra slungar den ut i rymden vid Mach 1... och släpper den sedan försiktigt fri i en omloppsbana på cirka 13 000 miles bort. Kom ihåg att själva jordens diameter bara är 7 900 miles.

Föreställ dig nu de algoritmer och beräkningar som krävs för att hålla den i en exakt omloppsbana, utan att träffa de andra satelliterna, sänder ständigt, batterierna går aldrig sönder, klockorna går knappt ur synk när månaderna blir till år, och du får punkten. Det är en enorm prestation. Ändå räcker det inte.

GPS är korrekt till inom 3 fot, i teorin, men i verkligheten är det mer som 15 fot eller så - tillräckligt bra för att ta dig till mataffären, men knappast exakt. Till exempel, om du har planterat två arvegodsetomater och några gurkor på din bakgård, är det lätt att odla din lilla skörd utan någon känsla för var du vattnar. Om du planterar hundratals hektar kan små telemetrifel förstöra dig.

”Forra dagar med att jobba hela dagen och pappa kanske blir klar och kommer hem till sonen eller dottern? Det är i stort sett gjort, säger Al Savage, StarFire Network manager på John Deere, till Digital Trends. "Det bönder vill ha är mer avkastning. Noggrannhet när det gäller radplantering, sprutning etc., så att du inte kör över dina grödor."

Enligt NASA (ja, den där NASA), när en bonde korsar ett fält och drar en såmaskin, plog eller annan utrustning bakom en traktor, överlappar raderna som skapas med cirka 10 procent. Detta innebär att en betydande del av fältet får dubbelt så mycket utsäde, gödning och bekämpningsmedel som behövs, och jobbet tar längre tid än nödvändigt. Dagens traktorer använder digitala positioneringssystem precis som din bil, men kräver en helt annan nivå av noggrannhet. Så med hjälp av rymdorganisationen byggde John Deere ett bättre system.

"Differential GPS är vad de kallar det," sa Savage. För att få de detaljerade positioneringsdata moderna lantbrukare behöver byggde Deere en serie markbaserade referensplatser runt om i världen att samla in en andra uppsättning positioneringsdata, en stor mängd data som företaget överför och lagrar i två huvuddata centrerar. Den informationen skickas till en uppsättning geostationära satelliter som drivs av Inmarsat (John Deere hyr utrymme på dem) och skickas sedan tillbaka till företagets StarFire-mottagare på lokala traktorer – en tur och retur som är längre än att sträcka över hela världen men som tar ungefär lika lång tid som en enda andetag.

"Du pratar om 12, 13 000 miles och i vissa fall 20 000 miles. Och detta händer på fem sekunder, så du kan föreställa dig hur snabbt det går och hur mycket data som flödar”, förklarade Savage. Den tid det tar en signal att resa till jorden från GPS-satelliterna, kombinerat med klockor i omloppsbana allt så lite ur synk och signalbrus från elektriskt laddade partiklar i vår atmosfär, gör befintlig GPS data oprecisa. Genom att blanda satellitdata med data från dess marknät kan Deere triangulera position mycket mer exakt.

"När du sprayar vill du vara specifik, exakt. Det gör att du kan spara på herbicider, fungicider, bekämpningsmedel och sprayer, säger Savage.

Hur 5G hittar en väg

Om du läser en tekniksajt nuförtiden har du hört hypen runt omkring 5G. Det finns en mängd olika fördelar med det snabba nya mobilnätet, varav den främsta är hastigheten. Qualcomm har visat maximala nedladdningshastigheter på cirka 4,5 gigabit per sekund och genomsnittliga dataöverföringshastigheter på cirka 1,4 gigabit per sekund. Det är tillräckligt snabbt för att ladda ner en tvåtimmarsfilm på cirka 17 sekunder, jämfört med cirka 6 minuter för en aktuell 4G-anslutning. Nytt med andra ord 5G telefoner kommer att vara cirka 1 000 gånger snabbare än telefonen för närvarande i din ficka.

Men det finns mer med 5G än telefoner: Qualcomm är övertygad om det 5G kommer att ha morgondagens bilar prata med varandra och chaperoning er alla av deras ensamma. För att göra det gör Qualcomms chips mer än att bara överföra data snabbare. De stöder CV2X (mobila fordon-till-allt) kommunikation, som levererar direkt kommunikation mellan bilar och andra smarta objekt i en stads infrastruktur.

En lite diskuterad del av Qualcomms bilplaner involverar att bygga ett system för att eliminera GPS: s 3-till-15 fots precisionsproblem. För att göra detta lutade sig företaget mot sin befintliga patentportfölj; den slår samman data från befintliga Global Navigation Satellite System-satelliter (inklusive GPS, Europas Galileo, Rysslands GLONASS, och mer) med något som heter VEPP, eller synförstärkt exakt positionering. I huvudsak planerar Qualcomm att använda bilder från befintliga videokameror för att fastställa en bils exakta plats.

"Kostnaden för att göra det här är inte astronomisk," sa Nakul Duggal, senior vice president för produktledning för Qualcomm, till Digital Trends. "Du behöver i princip en standardkamera som du har idag... allt annat är något du redan möjliggör för telematikenheten."

Men här är grejen: CV2X har varit en dröm bland teknikföretag i flera år, och även om det kan lova, har det också utmaningar. För det första är det frågan om att hitta bandbredden: Regulatorer har reserverat en bit spektrum på 5,9 GHz för prat mellan fordon och fordon, men regulatoriska ansträngningar för att driva projektet framåt har gått bokstavligen ingenstans. Som Ajit Pai, ordförande för Federal Communications Commission (FCC) skrev förra månaden, "5,9 GHz-spektrum har legat i träda alldeles för länge. Under de senaste två decennierna har det amerikanska folket väntat på att detta bästa mellanbandsspektrum ska tas i bruk, och tiden för väntan är över.”

Nej, American's har inte ropat efter detta, trots Pais bråk; få människor tänker två gånger på spektrumallokering mellan frukost och säng. Men FCC: s drag förra månaden för att modernisera 5,9 GHz-bandet är goda nyheter för C2VX. Ändå har 5G i bilar en lång väg att gå.

Lägg till det att den smäktande tidslinjen 5G har arbetat på. Den första 5G modem kan dyka upp i nya fordon 2022, och avancerade modeller kommer förmodligen inte att komma förrän 2025, enligt Light Reading. Och vägkantsinfrastruktur för att kommunicera med dessa modem för att möjliggöra självkörning kommer inte att tas i bruk kommersiellt förrän omkring 2025. Samtidigt fungerar John Deeres StarFire-system redan med 5G, berättade Savage, tillsammans med GPS, Rysslands GLONASS, QZSS, IRNN och andra. Så när 5G är brett utplacerad, kommer det att hjälpa till att fylla ett antal luckor.

"5G kommer att vara till stor hjälp när det kommer till bönder på landsbygden, på högre breddgrader – EU, Nederländerna – tror jag 5G kommer att hjälpa. Allt som är kuperat, där fordonets attityd, terrängens ojämnhet, där du inte riktigt kan se den södra änden för satellitmottaglighet, 5G kommer verkligen att hjälpa också, sa Savage.

Det är värt att betona en punkt här: GPS III, 5G och StarFire är inte nödvändigtvis konkurrerande teknologier. Inget enskilt företag eller teknik kommer att dominera detta utrymme och göra de andra föråldrade, och det behöver det inte heller. Det är viktigt att notera det 5G kommer att förbättra John Deeres Starfire-system, inte ersätta det. GPS III kommer att fungera tillsammans med — inte mot — 5G för att hålla autonoma bilar på rätt spår. De är alla olika vägar som leder till samma destination: Bättre positionering för alla och allt, oavsett applikation.

Tills dess? Undvik sjöarna och håll båda händerna på ratten. För en ny GPS är precis på vägen — men vi kan bara köra dit så snabbt.