Boeing divulga testes de voo por instrumentação quântica sem GPS

Por Mychaela Kekeris da Boeing

A Boeing concluiu o primeiro teste de voo registrado do mundo de múltiplos sensores quânticos em 2024, permitindo que um avião em voo navegue sem GPS por quatro horas.

Embora sensores quânticos para navegação tenham sido pesquisados ​​em ambientes de laboratório por anos, o teste foi a primeira operação conhecida dos sensores em um avião durante o voo. Esse e os voos subsequentes produziram dados de navegação em tempo real, que são necessários para colocar em campo qualquer aplicação da tecnologia.

O sistema de navegação quântica normalmente não sofre interrupções temporárias no serviço que podem surgir com o GPS atual ou outros sistemas de navegação. A precisão do sistema de navegação quântica pode permitir que aviões em rotas comerciais naveguem sem GPS durante todo o voo.

Medindo o sucesso

A equipe conduziu o teste usando uma unidade de medição inercial quântica (IMU) de seis eixos. A IMU foi integrada a um sistema de navegação inercial completo e implantada em um Beechcraft 1900D para a série de testes de voo. Uma IMU quântica é projetada para ser mais precisa do que as IMUs convencionais. A precisão aprimorada pode levar a reduções em erros de navegação de dezenas de quilômetros no final de um voo longo para apenas dezenas de metros.

O teste de voo de St. Louis mostrou conclusivamente que os sensores quânticos foram capazes de operar com sucesso durante decolagens, pousos e múltiplas manobras.

“A Boeing está liderando o desenvolvimento da tecnologia quântica que ajudará a melhorar a segurança do voo”, disse Ken Li, principal pesquisador técnico sênior da Boeing e principal pesquisador de navegação quântica.

Qualificações quânticas

A Boeing colaborou com a AOSense, sediada na Califórnia, para projetar e construir a IMU quântica.

“Nós projetamos nossa IMU quântica para operação robusta em ambientes hostis, e estamos satisfeitos em confirmar que durante o teste de voo o sensor funcionou ao longo de todos os eixos de entrada, como previmos”, disse o presidente da AOSense, Brenton Young. A AOSense vem desenvolvendo sensores quânticos desde 2004.

Como funciona

A IMU usa uma técnica de detecção quântica chamada interferometria atômica para detectar rotação e aceleração usando átomos, fornecendo precisão e exatidão de navegação sem uma referência de GPS.

A IMU consiste em três sensores inerciais quânticos, cada um dos quais mede acelerações e rotações de eixo único do avião. A IMU rastreia o caminho que o avião tomou desde sua posição inicial. Os engenheiros da Boeing integraram os sensores inerciais quânticos com sensores e hardware adicionais para garantir um desempenho confiável em voo. O resultado foi o primeiro sistema de navegação habilitado para quantum conhecido desse tipo.

Rápido para quântico

“A capacidade de operar com segurança em ambientes sem GPS é crítica para aplicações comerciais e de defesa”, disse Todd Citron, diretor de tecnologia da Boeing. “Este teste de voo mostra a abordagem inovadora da Boeing para alavancar tecnologias quânticas para desafios operacionalmente relevantes.”

A rápida iteração e testes permitiram que a equipe da Boeing e da AOSense avançasse a tecnologia de três sensores de eixo único operando em um ambiente de laboratório para uma IMU quântica operando em voo em um período de apenas 15 meses. Durante esse período, a equipe conduziu vários testes de laboratório, veículo terrestre e voo, cada um focado em identificar melhorias para aumentar a capacidade e a confiabilidade do sensor.

“Esses avanços rápidos indicam uma grande promessa para que sensores quânticos façam parte da próxima geração de sensores de navegação”, disse Jay Lowell, Boeing Principal Senior Technical Fellow e gerente de pesquisa em tecnologia quântica. “Este teste de voo é um primeiro passo histórico nessa direção.”

Rastreador de estrelas

Os voos também testaram o software All Source Positioning, Navigation and Timing (ASPNT) da Boeing. O software combina informações de várias modalidades de detecção de navegação negadas por GPS, incluindo navegação baseada em visão, navegação referenciada ao terreno, navegação referenciada à anomalia da gravidade, navegação referenciada à anomalia magnética, um rastreador de estrelas e sinal de oportunidade (SOOP) em vários níveis de prontidão tecnológica.

Além da IMU quântica, os voos testaram dois outros sensores: AQNav, um sistema de navegação quântica full stack da SandboxAQ, e um rastreador de estrelas com capacidade para o dia que a Boeing desenvolveu com a HRL Laboratories. O pareamento do AQNav com o rastreador de estrelas foi essencial para o desenvolvimento da tecnologia de navegação referenciada por anomalias magnéticas.

O rastreador de estrelas forneceu referências precisas de atitude e posição para dar suporte aos testes de voo. A tecnologia de infravermelho de ondas curtas (SWIR) do rastreador de estrelas também é um desenvolvimento único. Comparado com rastreadores de estrelas usados ​​em sistemas militares há 50 anos, o sistema projetado pela Boeing é menor, pesa menos, usa uma fração da energia e obtém melhor desempenho.

Dois telescópios, junto com as câmeras SWIR, formam a parte principal do rastreador de estrelas. O rastreador de estrelas é montado próximo a uma janela personalizada que é transparente à luz SWIR, tornando o rastreador de estrelas operável.

Medição magnética

O AQNav usa o campo magnético da Terra para comparar medições em tempo real a um campo magnético pré-mapeado. Essa abordagem, combinada com os dados da IMU, ancora significativamente a deriva da IMU ao limitar potenciais erros de navegação por meio de um processo que correlaciona a trajetória da aeronave com os dados magnéticos observados.

O AQNav ajuda a garantir que os desvios de navegação permaneçam dentro de uma margem operacional. Isso resulta em um sistema de navegação alternativo altamente confiável e preciso que efetivamente reduz o acúmulo de erros ao longo do tempo, o que é crítico para voar em áreas onde os sinais de GPS não estão disponíveis. Projetado para ser ininterrupto, infalsificável, 24 horas, para qualquer clima e independente do terreno, o AQNav é uma tecnologia passiva que opera em segundo plano sem interação do usuário.

“Avanços rápidos foram muito acelerados graças à abordagem colaborativa da Boeing e sua capacidade excepcional de integração com o SandboxAQ”, disse o engenheiro sênior de hardware da AQNav, Eddie Rodriguez. “Essa forte parceria, combinada com nossa expertise em modelagem de inteligência artificial, nos permitiu entregar um sistema aprimorado e demonstrar suas capacidades em apenas seis meses.”

O que vem a seguir

A Boeing realizará uma série de testes de laboratório para ajudar a entender como os sensores de navegação quântica IMU se comportam sob certas condições ambientais, como temperatura e vibração. Esses testes fornecerão dados para os engenheiros da Boeing e da AOSense para melhorar o desempenho, a robustez e a confiabilidade do sistema de navegação quântica.  IQ