Sponseret af Danmarks Tekniske Universitet

DTU er et selvejende universitet med uddannelse, forskning, myndighedsbetjening og innovation.  

Forskning med drøn i
I noget så usandsynligt som en legetøjsracerbane kan en ph.d.-studerende ved DTU Space hjælpe GPS-teknologien ind i næste generation.

God leg har et gran af alvor i sig. Det er i høj grad gældende for Jakob Jakobsens ph.d.-projekt på DTU Space, der på sigt kan flytte den teknologiske grænse for GPS-systemer verden over. (Foto: Ditte Valente)

God leg har et gran af alvor i sig. Det er i høj grad gældende for Jakob Jakobsens ph.d.-projekt på DTU Space, der på sigt kan flytte den teknologiske grænse for GPS-systemer verden over. (Foto: Ditte Valente)

Det lyder som en drengedrøm, der går i opfyldelse:

At kunne opretholde et fuldtidsarbejde ved at køre med racerbiler af det pureste legetøj.

Men når den første jubel over setup'et har lagt sig, går der en prås op for tilskueren.

Den forklarer til fulde, hvorfor dr. Gérard Lachapelle, der er en af verdens førende GPS-forskere, har opfordret en dansk ph.d.-studerende til at bruge en racerbane som forsøgsplatform:

Han kan nemlig meget vel være ved at flytte de teknologiske grænser for, hvad GPS-systemer kan gøre.

»Idéen til denne forsøgsopsætning kom, efter jeg havde bygget racerbanen til mine drenge. Det var egentlig bare planen, at vi skulle have den at lege med sammen.«

»Men efter blandt andet at have drøftet mulige forsøg med dr. Lachapelle fra University of Calgary, blev jeg nødt til at 'låne' banen til at gennemføre disse forsøg. Drengene er dog fulde af forståelse, og jeg har fået meget lempelige forhold til at disponere over den,« smågriner den ph.d.-studerende, der til daglig går under navnet Jakob Jakobsen.

Tredimensionel forvirring

Det ph.d.-projekt, Jakob har kastet sig i lag med, går ud på at beskrive kinematikken i tid inden for en referencegeometri.

Se, før denne forklaring afstedkommer for megen forvirring, så lad os gå tilbage til, hvilken grænse Jakob konkret er ved at flytte med sin - undskyld, sine drenges - racerbane:

GPS-positionering af et objekt baserer sig på nøjagtighed i tre dimensioner: I rum, i hastighed og i tid. Vi skal altså vide, hvor vi er, hvornår vi er det, og hvor længe vi bliver på et givet punkt. Det er de tre parametre, der manifesterer sig som prikken på GPS-modtageren i lægmands verden.

Men der vil altid være unøjagtigheder i en eller flere af de tre oplysninger, vi modtager fra GPS-systemet og dermed i positionen. Det er ikke ny viden, og vi ved, at der findes flere forskellige fejltyper, der hver især er undersøgt. En af de største fejlkilder har fået navnet 'multipath' af GPS-forskere.

Multipath

Multipath er de omveje, et signal vil tage på turen fra GPS-satellitten ude i rummet til antennen nede på jorden.

Der er god forståelse omkring, hvordan multipath fluktuerer og påvirker de informationer, vi får, så længe vi skal måle på det på statiske objekter.

Men se, her er grænsen:

For indtil nu har man ikke haft muligheden for at undersøge multipath med tilpas stor nøjagtighed, når først der er kinematik (fysikkens ord for en bevægelse, red.) med i ligningen.

Det forudsætter nemlig, at man kan forudsige bevægelsen og farten i ekstremt høj grad.

Kan man ikke det, kan man ikke blive nøjagtig i målingerne.

»Groft sagt kan det sammenlignes med, at man kyler en flok dartpile ind i et mørkt lokale og siger, at de rammer nok et sted i den retning, man har smidt dem. Det er jo korrekt, men det er ikke godt nok i forhold til nøjagtigheden, som et GPS-system vil kunne levere, hvis vi kan kortlægge størrelsen på unøjagtigheden,« forklarer Jakob Jakobsen.

Jakob Jakobsens ph.d-projekt kræver tusindvis af timers kørsel med racerbilerne for at sikre stærke data. (Foto: Ditte Valente)

Det er det, Jakob kan med racerbanen:

Registrere og kortlægge multipathens unøjagtigheder i GPS-signalet, mens racerbilerne kører.

Dermed kan han forbedre de metoder og beregninger, der ligger bag prikken på modtageren og på sigt tilføje en stor del af den nøjagtighed, som har manglet indtil nu.

En miniverden

Når man ønsker at udføre kinematiske forsøg, er det essentielt at kende det absolutte koordinat for objektet - altså lavpraktisk vide, hvor det objekt, man vil måle på, befinder sig til enhver given tid, så man kan sammenligne fakta med GPS-unøjagtighederne. Det er her, Jakobs racerbane sætter en ny standard.

»Du kan sætte en GPS på stort set hvad som helst og sætte det i bevægelse. Jeg ved, at man har gennemført forsøg med traktorer, der kørte i en fastlagt bane. Men der er vi lidt tilbage ved det med dartpilene. For traktorens bane vil være lidt unøjagtig, hver gang den kører en cyklus. Det bliver en cirka-position,« forklarer Jakob.

Han skeler hen til et stykke af racerbanen, som han har fundet frem: »Sådan er det ikke med racerbanen, for her er ruten fastlagt af de spor, der er i banen, og det giver en bemærkelsesværdig nøjagtighed i målingerne.«

Mell

Det er altså banens riller, der gør det muligt at overføre banens forløb til en geometri i beregningerne af positionen.

Og her er det helt særlige:

For geometrien i denne type forsøg er alfa og omega. Verden er nemlig også at betragte som en geometri i GPS-forskernes univers.

På den måde kan Jakob beskrive en bevægelse: Kinematikken.

Han ved præcis, hvornår bilen er hvor på banen og har dermed etableret rummet, hastigheden og tiden.

Ved hjælp af en racerbil påmonteret en GPS-modtager og en trådløs opkobling til en computer, kan Jakob indsamle og sammenligne fup og fakta i GPS-positioneringen ved hjælp af statistiske beregninger og kortlægge multipath.

Man kan næsten sige, at racerbanen er en skaleret miniverden, i og med at den giver en geometrisk reference, som kan overføres til den virkelige verden.

Jakob Jakobsen, ph.d.-studerende ved DTU Space

Og endelig kan han ved hjælp af sit computersystem lade forsøget køre længe nok til at have data til en forsvarlig statistisk beregning af unøjagtighederne mellem det, bilens GPS siger, og det, han kan registrere ved hjælp af banens indbyggede elektronik.

»Man kan næsten sige, at racerbanen er en skaleret miniverden, i og med at den giver en geometrisk reference, som kan overføres til den virkelige verden. Når vi har kortlagt multipath her på banen, er det intet til hinder for, at man så kan overføre den viden til for eksempel indendørs positionering, hvor den største udfordring for anvendelse er i øjeblikket,« siger Jakob.

Alt mellem himmel og jord

I forhold til Jakobs eget ph.d.-studium kan resultaterne og den nye viden om multipathens små, hvide løgne overføres til områder som roadpricing i byerne og til de såkaldte Location Based Services (LBS), hvor det netop er essentielt, at man kender den præcise position af en modtager.

LBS vil nogen kende fra deres mobiltelefon, hvor man for eksempel kan finde den nærmeste bank eller restaurant med et par klik. Men der er et kæmpemarked, der kun venter på, at GPS vil kunne levere tilpas nøjagtige informationer.

Men racerbanens referencegeometri lover også andre ting. Jovist er moro afgjort en af dem, men som forsøgsplatform er der et utal af applikationsmuligheder, som Jakob kunne tænke sig at udforske:

»Anvendelsesmulighederne er mange og alsidige. Det er næsten kun fantasien, der sætter grænsen for, hvilke forsøg der kan gennemføres. Og det kunne da være interessant at finde andre forsøgsområder på tværs af universitetet. Naturligvis under forudsætningen, at mine drenge stadig vil låne den ud,« smiler Jakob underforstået ud i lokalet.

Lavet i samarbejde med Danmarks Tekniske Universitet

Om racerbanen

Racerbanen måler op til 27 meter pr. omgang og har to spor. Jakob har designet og konstrueret den i spånplade, og den består af i alt 31 plader, der kan samles efter behov. Der er indbygget 352 lyssensorer i sporene til at registrere bilens placering i realtid. Alt snedkerarbejde er blevet udført hos Beni møbler og inventar. Projektet udføres med Per Knudsen fra DTU Space som hovedvejleder.

Se selv Jakob Jakobsens racerbane her:

 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om blandt andet det mikroskopfoto, som du kan se herunder.


Annonce: