Австралийский профессор хоронит GPS
Надёжная GPS (ГНСС США) подходит к концу, но новые квантовые технологии могут указать путь вперёд, утверждает Майкл Дж. Биркук, профессор квантовой физики и квантовых технологий в Сиднейском университете.
Когда недавно двум самолетам «Финнэйр», летевшим в Эстонию, пришлось одному за другим изменить маршрут и вернуться в Хельсинки, причиной стала не техническая неисправность или неблагоприятные погодные условия, а отказ GPS.
Отказ GPS — это преднамеренное вмешательство в навигационные сигналы, на которые полагаются коммерческие самолёты. Это не новое явление: Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) давно предоставляет карты регионов, где GPS был обычно недоступен или ненадежён. Однако беспокойство быстро растёт по мере того, как конфликт распространяется по Европе, Ближнему Востоку и Азии, а глушение и обман GPS становятся оружием экономического и стратегического влияния.
Известно, что некоторые страны использовали ложные (поддельные) сигналы GPS для создания помех воздушному транзиту, судоходству и торговле или для нарушения военной логистики в зонах конфликта. А недавние обсуждения противоспутникового оружия возобновили опасения преднамеренных действий, направленных на то, чтобы нанести экономический ущерб путём отключения GPS.
Сбой в работе GPS приведёт к недоступности многих онлайн-сервисов, отказу бортовой спутниковой навигации и отсутствию услуг определения местоположения.
Анализы, проведённые в США и Великобритании, рассчитали временные экономические издержки отключения электроэнергии примерно в 1 миллиард долларов в день, однако стратегические последствия могут быть ещё более значительными, особенно в условиях конфликта.
Говорят, что «пехота выигрывает сражения, а логистика выигрывает войны». Практически немыслимо управлять военными логистическими цепочками поставок без ГНСС, учитывая сильную зависимость от синхронизированных сетей связи, общего командования и управления, а также позиционирования и отслеживания транспортных средств и материальных средств. Все они централизованно полагаются на ГНСС, и все они уязвимы для сбоев.
Большинство крупных военных и коммерческих кораблей и самолётов имеют специальные резервные ГНСС -приёмники для навигации, поскольку, по сути, было время, когда ГНСС ещё не было.
Альтернативы ГНСС полагаются на сигналы, которые можно измерить локально (например, движение или магнитные поля, используемые в компасе), поэтому судно может осуществлять навигацию, даже если ГНСС недоступен или ненадёжен.
Например, инерциальная навигация использует специальные акселерометры, которые измеряют движение транспортного средства, во многом похожие на те, которые помогают вашему мобильному телефону переориентироваться, когда вы его поворачиваете. Измерение того, как движется транспортное средство, и использование законов Ньютона позволяет вам вычислить ваше вероятное местоположение через некоторое время. Другие подходы «alt-PNT» используют измерения магнитных и гравитационных полей, чтобы помочь ориентироваться по известной карте этих изменений вблизи поверхности Земли. Кроме того, сверхстабильные локально развёрнутые часы могут гарантировать, что сети связи остаются синхронизированными во время сбоев GPS (сети связи обычно полагаются на сигналы синхронизации GPS, чтобы оставаться синхронизированными).
Тем не менее, принято полагаться на GPS (ГНСС США). Сосредоточившись конкретно на позиционировании и навигации, достижение хорошей производительности с помощью обычных альтернатив обычно требует от вас значительного увеличения сложности системы, размера и стоимости, что ограничивает возможности развёртывания на меньших транспортных средствах. Эти альтернативные подходы к навигации, к сожалению, также подвержены ошибкам из-за нестабильности используемого измерительного оборудования — сигналы просто постепенно меняются со временем, с изменением условий окружающей среды или с возрастом системы.
Исследователи всего мира находятся в поиске чего-то значительно лучшего, чем то, что доступно в настоящее время. Это что-то выглядит как квантово-гарантированная навигация, работающая на квантовых датчиках. Квантовые датчики используют законы природы для доступа к ранее недоступным сигнатурам, обеспечивая при этом как исключительную чувствительность, так и стабильность. В результате квантово-гарантированная навигация может обеспечить защиту от сбоев ГНСС и сделать возможными новые революционные миссии.
Самые передовые навигационные системы с квантовой гарантией объединяют несколько датчиков, каждый из которых улавливает уникальные сигналы окружающей среды, имеющие отношение к навигации, подобно тому, как автономные транспортные средства объединяют лидары, камеры, ультразвуковые детекторы и многое другое для обеспечения наилучшей производительности.
Все начинается с нового поколения усовершенствованной квантовой инерциальной навигации, но квантовое зондирование позволяет нам пойти дальше, получая доступ к новым сигналам, которые ранее были в значительной степени недоступны в реальных условиях.
Хотя это может показаться удивительным, гравитация и магнитные поля Земли не постоянны на всей поверхности планеты. Есть карты крошечных изменений этих величин, которые долгое время использовались для разведки полезных ископаемых и даже для мониторинга подземных вод. Теперь можно повторно использовать эти карты для навигации.
Сейчас создаётся новое поколение квантовых гравиметров, магнитометров и акселерометров, которые используют квантовые свойства атомов, чтобы быть достаточно чувствительными и компактными для измерения этих сигналов на реальных транспортных средствах.
Самые большие улучшения происходят от повышения стабильности. Атомы и субатомные частицы не меняются, не стареют и не деградируют — их поведение всегда одинаково. Это то, что мы сейчас готовы использовать.
Используя квантово-гарантированную навигационную систему, транспортное средство может точно позиционировать себя, даже если ГНСС недоступна в течение очень длительных периодов. Не просто часы или дни, как это достижимо с лучшими военными системами сегодня, а недели или месяцы.
В квантовом зондировании уже достигнуто квантовое преимущество — когда квантовое решение решительно превосходит свои традиционные аналоги. Теперь задача заключается в том, чтобы вывести эти системы из лаборатории в поле, чтобы обеспечить настоящее стратегическое преимущество.
Реальные платформы подвержены помехам, суровым условиям и вибрациям, которые сводят на нет преимущества, которые, как мы знаем, могут обеспечить квантовые датчики.
В недавних исследованиях новое программное обеспечение на базе ИИ использовалось для обеспечения надёжности, необходимой для размещения квантовых датчиков на реальных движущихся платформах. Правильное программное обеспечение может поддерживать функциональность систем даже при их тряске и помехах на кораблях и самолётах.
Недавно было объявление о первом морском испытании мобильного квантового двойного гравиметра для сопоставления гравитационных карт. Полные квантовые навигационные решения собираются начать испытания безопасности полётов коммерческих самолётов в конце года после морских и наземных испытаний.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников