Перспективы и недостатки альтернатив спутниковой навигации
Проведение СВО на Украине и эскалация конфликтов на Ближнем Востоке, а также растущая геополитическая конкуренция между Соединёнными Штатами и Китаем провели к коллективному осознанию хрупкости ГНСС (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou и Galileo), утверждает Шон Горман – бывший профессор-исследователь в Университете Джорджа Мейсона.
Спуфинг и глушение не только затрудняют позиционирование на поле боя, но и проникают в гражданскую жизнь, нанося ущерб коммерческой авиации. Проблемы эксплуатации GPS (ГНСС США) в неблагоприятных условиях родили призыв к AltPNT — альтернативному позиционированию, навигации и синхронизации, — которое не полагается на созвездие GPS.
Сейчас можно увидеть распространение технологий, ориентированных на навигацию без ГНСС. Это значительный отход от недавнего прошлого, когда основное внимание уделялось «дополнению» PNT вместо создания альтернативы, которая полностью отключена от ГНСС.
Но насколько осуществима эта идея?
Важно чётко понимать, что на самом деле представляет собой AltPNT, чтобы не путать его с усиливающим «AugPNT».
Технология должна быть действительно независимой от созвездия ГНСС и не требовать периодических обновлений ГНСС, чтобы избежать дрейфа. Она также должна быть сопоставима с ГНСС по точности, скорости и глобальному покрытию. И она не должна быть подвержена тем же проблемам, которые могут ухудшить или исключить сигналы ГНСС. Иначе в чём смысл?
Немногие современные технологии соответствуют этому определению. Большинство решений AltPNT являются лишь дополнениями к GPS, а не его заменой.
Частные компании создают новые коммерческие услуги PNT, используя спутниковые группировки на низкой околоземной орбите (LEO).
Как часть многослойной системы спутниковой навигации (satnav), эти созвездия предлагают многообещающий потенциал. Благодаря своему низкому положению на орбите они могут обеспечить более быструю передачу сигнала, уменьшенную задержку, более высокую мощность сигнала и лучшую точность позиционирования по спутникам ГНСС на средней околоземной орбите (MEO).
Однако спутниковые группировки LEO PNT не лишены недостатков и рисков.
Самая важная проблема — стоимость. Из-за орбит LEO эти службы потребуют более крупных созвездий для достижения глобального покрытия. Они также имеют меньший срок службы, чем спутники на средней околоземной орбите (MEO), и поэтому требуют более частых замен и ремонтов. Необходимость частой передачи управления между спутниками также приводит к более высоким эксплуатационным расходам и сложностям.
Большое созвездие (с поддерживающими наземными станциями) также представляет большую поверхность атаки для кибервойны. И хотя спутники LEO производят более сильные сигналы, чем спутники MEO, они всё ещё уязвимы для вредоносных помех, таких как глушение и спуфинг.
Спутники LEO PNT также сталкиваются с большими проблемами, связанными с атмосферными помехами, в частности, с ионосферной и тропосферной задержкой. Поскольку LEO является более загруженной рабочей средой, риски случайных столкновений с другими спутниками и космическим мусором по крайней мере на три порядка выше, чем на MEO.
В гражданской сфере наиболее существенные последствия отказа от ГНСС, безусловно, сказались на авиационном секторе. Большинство коммерческих авиакомпаний имеют дополнительные системы, которые улучшают и совершенствуют данные PNT, предоставляемые ГНСС, такие как система посадки по приборам, наземная система дифференциальных поправок, широкополосная система дифференциальных поправок, дальномерное оборудование, ненаправленные радиомаяки и всенаправленный диапазон ОВЧ.
Одна из самых важных возможностей, не связанных с ГНСС, исходит от инерциальных навигационных систем (INS), которые большинство авиакомпаний используют в качестве основного резерва ГНСС. Эта технология использует акселераторы, гироскопы, барометрические высотомеры и магнитометры для расчёта точных и надёжных данных PNT.
Однако есть два основных ограничения INS, которые подрывают её способность заменить ГНСС: необходимость начальных данных PNT из внешнего источника, такого как ГНСС, и тенденция INS к дрейфу, если она не получает периодических обновлений GPS. Последнее может быть значительно уменьшено новыми квантовыми технологиями INS. Однако пока ещё слишком рано говорить о том, насколько это будет эффективно.
Другая альтернативная возможность — eLORAN: современная реализация гиперболической радионавигационной системы, изначально разработанной в 1940-х годах. Она использует сеть фиксированных наземных маяков, а её сигналы – сильнее и более устойчивы к глушению и спуфингу.
Однако eLORAN имеет несколько недостатков. Она в значительной степени ограничена сушей и прибрежными регионами, требует значительных инвестиций в инфраструктуру и обеспечивает только боковое позиционирование, а не вертикальную навигацию. Однако стоит отметить, что американские военные в настоящее время экспериментируют с новыми развёртываниями eLORAN, которые могли бы обеспечить полное покрытие всей континентальной части США всего с тремя терминальными станциями.
Навигация на основе рельефа (TBN) — ещё одна перспективная технология, которая использует входные данные датчиков, сопоставленные с предварительно нанесенной на карту местностью, для управления навигационными системами. TBN имеет фиксированную привязку, основанную на высоте уже нанесённой на карту местности, чтобы уменьшить вероятность дрейфа. Однако одним важным ограничением TBN является то, что она менее эффективна на равнинной местности, где меньше высотных колебаний. Кроме того, интенсивные бомбардировки, особенно в городах, могут изменить карты местности и усложнить навигацию. Можно использовать картографирование в реальном времени с помощью SLAM (одновременная локализация и картографирование), но это обеспечивает только относительное позиционирование, поэтому пользователю все равно понадобится привязка с известными позициями.
На сцену выходят и другие новые технологии, которые когда-нибудь могут стать жизнеспособной альтернативой ГНСС. Одной из самых захватывающих областей развития является технология компьютерного зрения. Хотя это обширная область, она имеет непосредственные приложения в PNT с Visual Positioning Systems (VPS).
VPS работает, сопоставляя пиксели, видимые через камеру, с пикселями в базе данных признаков для расчёта положения и навигации. Поскольку положение привязано к реальной системе координат, оно может обеспечить постоянное отслеживание, куда бы ни пошёл пользователь. Однако для того, чтобы это работало, все пиксели, как правило, должны быть нанесены на карту заранее с использованием высокоточных геопространственных координат. При работе в больших географических масштабах, таких как город или регион, это представляет собой значительную логистическую и стоимостную проблему. Это также создаёт уникальные проблемы в условиях военного времени — в конце концов, если ключевые ориентиры области будут уничтожены бомбами, ракетами или огнём, предварительно нанесённые на карту пиксели больше не будут точными.
Эти факторы значительно усложняют создание полностью независимой системы, поэтому самые передовые технологические компании в мире используют многоуровневый подход, интегрирующий VPS с другими системами.
LiDAR, или световое обнаружение и определение дальности, является ещё одной многообещающей технологией. При объединении с INS эта технология могла бы временно поддерживать навигацию в среде, где отсутствует ГНСС.
LiDAR испускает импульсные световые волны из лазера для создания трёхмерной карты окружающей среды в реальном времени. Это позволяет ему точно обнаруживать препятствия и определять глубину. Благодаря включению INS он также может вычислять положение, ориентацию и скорость. Эта навигационная система также может быть дополнительно улучшена путём интеграции VPS и других технологий, таких как радар.
Но для работы на больших территориях LiDAR обычно необходимо, чтобы регион уже был нанесен на карту, чтобы устройство могло локализовать его. Это может быть дорого и также вызывает ограничения, поскольку для правильной работы требуется прямая видимость (которой могут мешать препятствия и погодные условия), а его эффективность снижается на больших расстояниях.
В конечном счете, ни одна из этих технологий сама по себе не предлагает полной замены существующих ГНСС. Важно, чтобы мы не путали маркетинг, направленный на отказ от спутников, с реальностью того, насколько сложно и трудно на самом деле создать настоящую систему AltPNT, которая может поддерживать высокую точность и надёжность в отсутствие ГНСС. Реальность такова, что нам нужен многоуровневый подход к PNT, который связывает несколько технологий, чтобы обеспечить постепенное ухудшение в неблагоприятных условиях.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников