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日常の携帯電話を捜索救助用ビーコンに変える
6G への準備を進めながら命を救う
コロラド州の山々の険しい地形では、ヘリコプターが樹上のわずか 50 フィート上空をホバリングしているときでも、迷子になったハイカーを見つけるのは干し草の山から針を探すようなものです。しかし、「Lifeseeker」と呼ばれる新しい携帯電話ベースの検出システムは、私たちが最もよく使うデバイスの 1 つである携帯電話を強力なロケーター ビーコンに変えることで、荒野での捜索救助活動を変革しています。
「これは重大なことです」と Colorado Highland Helicopters の救急医兼捜索救助プログラムのコーディネーターである Tim Durkin 氏は言います。「ヘリコプターが峡谷に入り、すぐに信号を受信します。1分半以内に、数メートル以内にいる人物の位置を特定できます。」
この迅速な位置特定機能は、捜索救助技術における革命的な進歩を表しています。従来の検索方法には限界があります。捜索犬は風や湿度などの環境条件に大きく依存します。赤外線カメラは体温を検知できますが、密集した木々の向こう側では検知できません。ヘリコプターからの目視による捜索でも、自然の背景にアースカラーの服を着ている人を見つけられないことが多々あります。
このシステムは本質的に、救助ヘリコプターを移動式携帯電話基地局に変えるものです。インストール後、Lifeseeker のハードウェアは 3 つのアンテナ (2 つの携帯電話と 1 つの GPS) に接続し、検索エリア内にあるアクティブな電話が接続を試みる信号を作成します。システムは他のすべての電話を拒否し、特に検索しているデバイスにのみ接続するため、近隣にある他の電話のデータが保護されます。MATLAB®による高度な飛行時間解析と信号処理を使用することで、このシステムは携帯電話の電波が届かない場所でも、紛失した人のデバイスの位置を三角測量で素早く特定することができます。
技術的に高度であるにもかかわらず、Lifeseeker の導入は簡単です。「これはプラグアンドプレイ型のシステムなんです」と Durkin 氏は言います。捜索救助隊員は、わずか 4 本のケーブル接続だけで、システム全体を 3 ～ 5 分でヘリコプターに設置できます。インターフェースはWi-Fi®接続経由で、どのタブレットでも動作します。パイロットや捜索チームに馴染みのある形式でデータが表示されます。緊急サービスが行方不明者の携帯電話の詳細を提供すると、チームはシステムをプログラムしてそのデバイスだけに焦点を当て、捜索エリア内の他の携帯電話の信号を除外することができます。
Lifeseeker テクノロジーを使用した捜索救助ミッション。(動画著作権: CENTUM)
ヘリコプターの下部に設置されたアンテナ。(画像著作権: CENTUM)
この使いやすさと結果の信頼性が、Durkin 氏の仕事における成功と困難の分かれ目になる可能性があります。「あらゆる手段を尽くしても愛する人が見つからないことを家族に伝えなければならないのは、捜索救助活動において最も難しい会話の一つです」とDurkin 氏は言います。「だからこそ、この技術は非常に魅力的なのです。これにより、ほとんどの人がすでに持っている携帯電話を使って人々の居場所を特定できる新たなツールが提供されます。」
IT
Lifeseeker を開発しているスペインの企業 CENTUM は、携帯電話を緊急ビーコンにするという先見の明のあるアイデアを掲げ、2011 年にこのツールの開発を開始しました。創設者たちは、市場が空中捜索救助ソリューションを受け入れる準備ができていると信じていましたが、捜索救助組織がまだ携帯電話技術の可能性を認識していないことを発見しました。
急速に進化する携帯電話技術に先んじつつ、厳格な航空要件も満たすため、3 人のエンジニアはこのエンジニアード システムの初期段階の試作に取り組んでいます。さまざまな通信規格世代や多様な地形における携帯電話の検出と位置特定という課題を克服するために、彼らは幅広いシミュレーション ツールを活用しています。
初期のプロトタイプは、携帯電話技術の急速な進化というもう一つの大きな課題に直面しました。CENTUM の初期システムは 2G ネットワーク用に設計されていましたが、3G ネットワークが普及し始めたため、完成した時点ではほぼ時代遅れになっていました。この経験により、CENTUM が乗り越えなければならない特有の課題、つまり 2 つの非常に異なる技術の世界をつなぐ課題が浮き彫りになりました。
「当社は、急速に進化する通信分野に属していますが、同時に、安全性が最大の懸念事項であり、航空機メーカーや航空電子機器インテグレーターにとっていかなる変更も苦痛を伴う、進歩の遅い航空分野にも属しています」と、CENTUM の技術マネージャー、Brais Sánchez Rama 氏は述べています。
厳しい航空要件を満たしながら急速な携帯電話の進化に先んじるために、3 人のエンジニアがこのエンジニアリング システムの初期段階の試作に取り組んでおり、さまざまなシミュレーション ツールを使用して、さまざまな携帯電話の世代やさまざまな地形にわたって携帯電話を検出して位置を特定するという課題を克服しています。この技術は、緊急サービスや携帯電話会社からの特定の電話識別子を使用して、捜索エリア内の商用携帯電話ネットワークの状態を監視します。これらの識別子を入力すると、システムは対象の電話を検出し、携帯電話の信号を分析して人物の位置を推定できます。その際、航空機の動きや速度、気象条件、無線ネットワークからの電波伝播の影響などの変数も考慮されます。
Lifeseeker の位置情報イベント。(画像著作権: CENTUM)
物理プロトタイプ前のシミュレーション
開発プロセスは、広範なシミュレーションから始まります。チームはMATLABとSimulink®を使用して、さまざまな環境で異なるセルラー信号がどのように振る舞うかをモデル化しています。この仮想テスト場により、設計上の欠陥を早期に特定し、実地試験に移る前に地理位置情報技術を最適化することができます。最大の技術的ハードルの 1 つは、システムがどの携帯電話でも動作することを保証することでした。
「最初にシステムをシミュレーションできるため、効率が向上します。私たちは、技術的な不確実性が大きい未解決の問題から始めて、シミュレーションを通じて範囲を絞り込んでいきます。」
「各セルラー世代は、異なる波形、プロトコル、信号構造を使用します」とSánchez Rama 氏は言います。「行方不明者が2G、3G、4G、あるいは5Gの携帯電話を持っているかどうかは分からないため、私たちのシステムはすべての世代の携帯電話通信に対応する必要があります。」
モバイル プロバイダーは国ごとにネットワークを異なる方法で展開しており、複雑さがさらに増しています。CENTUM が最初に米国でシステムをテストしたとき、システムはヨーロッパの携帯電話ネットワーク向けに最適化されていたため、期待どおりに動作しませんでした。さまざまなネットワーク構成をシミュレートする機能により、CENTUM は場所を問わず機能するソリューションを開発できます。
チームは開発全体を通じて、 Communications Toolbox™、 LTE Toolbox™、 5G Toolbox™など 10 を超える専用ツールボックスを活用して、世代を超えて信号を生成、変更、デコードします。Signal Processing Toolbox™とRadar Toolbox は、処理方法の最適化に役立ちます。RF Toolbox™、 Antenna Toolbox™、およびPhased Array System Toolbox™ は、信号処理チェーンに対するハードウェア効果をエミュレートします。これは、物理的要因が検出機能にどのように影響するかを理解する上で重要です。
Mapping Toolbox™とNavigation Toolbox™ は、地図上で行方不明者の位置を正確に特定する地理位置情報アルゴリズムの開発に不可欠です。MATLABに依存するシステム シミュレーション段階で得られた知識とソリューションは、その後、製造に転送されます。このシステムにより、捜索救助チームはタブレットやラップトップで簡単に操作できる Web ベースのインターフェースを使用できるようになります。
Lifeseeker にアップデートを展開する前に、チームはソフトウェア定義無線デバイスを使用して研究室でアルゴリズムを検証します。Communications Toolboxを通じて制御されるこれらのハードウェア部品は、シミュレーションと実際のパフォーマンスのギャップを埋めます。
タブレット上で人の所在を特定するために使用されている Lifeseeker テクノロジー。(画像著作権: CENTUM)
さまざまなセルラー環境とプロトコルのシミュレーションにより、CENTUM は通信技術の絶え間ない進化に適応できます。従来の方法では、紙にソリューションをスケッチし、それをソフトウェアに直接実装し、ハードウェア コンポーネントを構築し、反復ごとに飛行テストを実施する必要があり、コストと時間のかかるアプローチでした。
「最初にシステムをシミュレーションできるため、効率が向上します」と Sánchez Rama 氏は述べています。「私たちは、技術的な不確実性が大きい未解決の問題から始めて、シミュレーションを通じて範囲を絞り込んでいきます。」チームは、このアプローチにより、従来の方法に比べて設計時間が 3 分の 1 から半分に短縮されると見積もっています。
現場テストで新たな課題が明らかになった場合は、ミッション データを収集し、ラボで信号構造とプロトコルの問題を分析し、シミュレーションを通じてより堅牢なソリューションを開発できます。この体系的なアプローチにより、国固有の実装から、世界中のさまざまなネットワーク展開で機能する、より汎用的なシステムへと進化することができました。
「技術的な不確実性が高くなるほど、最初の設計反復で何らかの失敗する可能性が高くなります」と Sánchez Rama 氏は言います。「プロトタイピングを必要とせずに初期段階で失敗をシミュレーションできることが、効率的な開発ライフサイクルの鍵です。」
未来に備えながら命を救う
過去 1 年間で 220 件を超える成功事例の報告があり、プライバシーの制約により未報告の事例も多数存在するなか、Lifeseeker はすでに 20 を超える国で 40 社以上の顧客を支援してきました。スイスとリヒテンシュタインの航空救助サービスである Rega との任務は、このシステムの人命救助能力を特に実証するものです。
「AIは6Gの基本となるでしょう。無線システムは、互いのシステムや環境から学習する能力を持つことが期待されます。」
ある朝の早い時間に、Rega は前日から高齢者が車で行方不明になっているという警報を受け取りました。Rega は警察と協力し、その人物の携帯電話が最後に接続していた携帯電話基地局を特定しましたが、捜索範囲は依然として広大でした。午前3時、Lifeseeker を乗せた Rega のヘリコプターが離陸しました。
約10分後、運転手の携帯電話が Lifeseeker システムに接続されました。数分後、救助隊は携帯電話の位置を正確に特定しました。車両は土手を乗り越え、その下の森に墜落しました。衝撃で運転手は車内に閉じ込められ、携帯電話は残骸のどこかに取り残され、手の届かないところにありました。Lifeseeker のおかげで、彼らは時間内に残骸を発見し、被害者を病院に搬送することができ、彼女は無事に回復しました。
CENTUM は将来を見据え、次世代のセルラー テクノロジーへの準備を進めています。6G は、特に人工知能の統合を通じて、新たな課題と機会をもたらすでしょう。「AI は 6G の基本となるでしょう」と Sánchez Rama 氏は言います。「無線システムは、互いや周囲の環境から学習する能力を持つことが期待されます。」チームは、Deep Learning Toolbox™を使用して、システムをこの新しい AI ベースのパラダイムに適応させる予定です。
捜索救助に航空電話位置情報システムを使用。(動画著作権: CENTUM)
CENTUM は、将来の携帯電話規格が進化して地上の塔と衛星ベースの局を統合し、地上と宇宙ベースの通信間のシームレスなカバレッジを提供できるようになるにつれて、非地上系ネットワークとの統合も検討しています。一方、アンテナアレイを使用して信号の方向を電子的に制御するビームフォーミング技術は、位置精度を向上させるためのもう1つの有望な手段を提供します。
携帯電話技術が急速に進化し続ける中、CENTUM は、日常的に使用する携帯電話を潜在的な救命手段に変えるという中核的な使命に注力し続けています。急速な技術変化と航空の厳格な安全要件のバランスをとる開発アプローチにより、1 つのミッションごとに世界中の捜索救助能力が向上し続けています。
