Hyperpræcis positionering ruller ud over hele verden

Opgraderinger til satellitter i kredsløb og systemer nedenunder vil bringe nøjagtighed på centimeterniveau til masserne.

Selman Design

ved

• Ling Xin arkiv side

24. februar 2021

• 
  Hvorfor det er vigtigt:

  GPS har allerede transformeret mange industrier og muliggjort helt nye, som f.eks. samkørsel. En mere præcis form af det vil afføde endnu flere applikationer.

• 
  Nøglespillere:

  • Kinas nationale rumfartsadministration

  
  
  

  • US Air Force

  • ColdQuanta

• 
  Tilgængelighed:

  Nu

  
  
  

Et massivt jordskred – det værste i årtier – ramte Du Fangmings hjem i det sydlige Kinas Hunan-provins den 6. juli. Mit hus kollapsede. Mine geder blev fejet væk af mudderet, fortalte han til kinesiske medier kort efter katastrofen. Heldigvis var han dog i sikkerhed - en af ​​33 landsbyboere, der var blevet evakueret takket være tidlige advarsler muliggjort af avancerede positioneringsteknologier, der kan give mere nøjagtige aflæsninger end nogensinde før.

Drevet af Kinas nyligt afsluttede globale satellitnavigationssystem, BeiDou (The Big Dipper) og dens jordbaserede stationer, positionssensorer kan registrere subtile ændringer i landets overflade i jordskred-udsatte regioner i hele Kina. Bevægelse over et par meter kan spottes i realtid, mens efterbehandlingsnøjagtighed kan nå millimeterniveauet.

Denne historie var en del af vores marts 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det betyder, at et skift i snavset på størrelse med spidsen af ​​en skarp blyant kan ses fra mere end 21.000 kilometer over. Tolv dage før jordskredet modtog Du's landsby en orange advarsel med henvisning til dataanomalier, som pegede på accelererende overfladeglidning efter dage med kraftig regn.

Tolv dage før jordskredet modtog Du's landsby en orange advarsel med henvisning til dataanomalier, som pegede på accelererende overfladeglidning efter dage med kraftig regn.

Du's landsby er blandt de mere end 100 steder i Hunan, der er udstyret med sådanne katastrofeovervågnings- og tidlige varslingssystemer. Denne service ville ikke have været mulig, hvis satellitbaseret positioneringsnøjagtighed stadig havde været på meter- eller decimeterniveau, siger Yuan Hong fra Aerospace Information Research Institute ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, hvor han arbejdede i årtier på BeiDou.

Mere end nogensinde er vi afhængige af teknologier, der kan bestemme vores placering eller lokalisere et objekts position. Præcisionslandbrug, dronelevering, logistik, tur-hilling og flyrejser afhænger alt sammen af ​​meget nøjagtig positionsdetektion fra rummet. Nu øger en række implementeringer og opgraderinger nøjagtigheden af ​​verdens mest kraftfulde globale satellitpositioneringssystemer fra flere meter til et par centimeter.

Det kan betyde, at din telefon ikke kun ved, hvilken gade du går eller cykler ned, men hvilken side af gaden du er på. En dag kunne den slags opløsning gøre det muligt for selvkørende biler eller leveringsrobotter at navigere sikkert på gader og fortove.

GPS bliver ved med at blive bedre

Efterhånden som teknologien forbedres, øges nøjagtigheden af ​​GPS, repræsenteret her ved et statistisk gennemsnit af signal-in-space fejlen målt på en enkelt frekvens på tværs af GPS-konstellationen.

NASA

Nye og forbedrede satellitter

Global Positioning System (GPS) , et af verdens første sådanne satellitsystemer, har ændret den måde, milliarder af mennesker bevæger sig rundt på. Siden 1993 har mindst 24 GPS-satellitter kredset om Jorden og konstant udsendt deres positioner. Enhver GPS-modtager kan finde sin aktuelle opholdssted inden for få sekunder ved at triangulere signaler fra mindst tre satellitter i konstellationen.

Når først signalerne er behandlet af en modtager, er GPS generelt nøjagtig inden for fem til 10 meter. Nu er systemet midt i en årelang opgradering til GPS III, som skulle forbedre dets nøjagtighed til en til tre meter (se skema). I november 2020 var fire af de 10 GPS III-satellitter opsendt, og resten forventes at være sat i kredsløb i 2023. Selvom forbrugerne ikke vil bemærke det med det samme, skulle nøjagtigheden af ​​deres navigationssystemer og smartphone-sporingsapps blive forbedret som en resultat.

Og i juni 2020 færdiggjorde Kina implementeringen af ​​sin BeiDou-satellitkonstellation som et GPS-alternativ. Udvidet over to årtiers tid fra et regionalt til et globalt netværk har BeiDou nu 44 satellitter, der opererer i tre forskellige baner. Det leverer positioneringstjenester til alle i verden med en gennemsnitlig nøjagtighed på 1,5 til to meter. Da tjenesten har et historisk fokus på Kina og Asien, kan BeiDous regionale brugere dog ofte få bedre placeringsoplysninger, tæt på en meter i præcision.

Øger nøjagtigheden på jorden

Selv med disse fremskridt støder positioneringssignaler på interferens og andre forhold, der kan få dem til at gå skævt. At rette disse fejl kræver endnu et lag af teknologi.

Både BeiDou og GPS er stærkt afhængige af jordbaseret forstærkning for at øge positioneringsnøjagtigheden til centimeterniveauet. En populær tilgang er real-time kinematic (RTK) positionering, som bruger en base-modtager og en rover-modtager, placeret kilometer fra hinanden, til at modtage satellitsignaler og beregne fejl forårsaget af Jordens ionosfære. Denne teknik kan opnå nøjagtigheder på mindre end tre centimeter.

En lignende, men nyere teknologi er præcis punktpositionering (PPP). Den kræver kun én modtager og fungerer fra et hvilket som helst sted på jordens overflade, hvilket giver brugerne nøjagtighed på decimeter- til centimeterniveau.

I Kina er RTK-forøgelse relativt modent, og tusindvis af basestationer er blevet bygget over hele landet, siger Yuan: Vi udvikler nu en teknologi kaldet PPP-RTK for at kombinere deres styrker, og [vil] forhåbentlig bruge den til nogle få år fra nu.

Ud over satellitpositionering

Efterhånden som nøjagtigheden af ​​satellitpositionering forbedres, vil vi uden tvivl finde endnu flere måder at bruge den på. Til sidst vil traditionelle satellitsystemer dog nå en nøjagtighedsgrænse - sandsynligvis omkring millimeterniveauet. Så forskere udforsker nye positioneringsteknologier, der kan bringe os ud over den grænse eller i det mindste reducere vores afhængighed af satellitter .

En tilgang bruger materiens kvanteegenskaber til at lokalisere og navigere uden eksterne referencer. Når atomer køles ned til lige over det absolutte nulpunkt, når de en kvantetilstand, der er særligt følsom over for ydre kræfter. Så hvis vi kender et objekts startposition og kan måle ændringerne i atomerne (ved hjælp af en laserstråle), kan vi beregne objektets bevægelser og finde dets placering i realtid.

Kvantepositionering ville være særlig nyttig i situationer, hvor satellitsystemer såsom GPS eller BeiDou ikke er tilgængelige, såsom i dybt rum eller under vandet, eller som backup-navigationsteknologi til selvkørende biler. EN meget tidlig version af et kvantepositioneringssystem, udviklet af ColdQuanta i Boulder, Colorado, opererer nu på den internationale rumstation.

Vores forfædre kiggede på stjerner og kompasser for at finde ud af, hvor de var; i dag bruger vi atomure på satellitter i kredsløb til at gøre det samme. Nye positioneringsteknologier har allerede ændret den måde, vi dyrker, transporterer varer og navigerer i vores verden på, og de seneste forbedringer vil bringe den verden i endnu skarpere fokus. Efterhånden som positioneringsteknologien udvikler sig til millimeterniveau og videre, vil grænserne for dens brug blive defineret mere af vores kreativitet og de juridiske eller etiske grænser, vi sætter, end af selve teknologiens ydeevne.

2021

10 banebrydende teknologier