Первой жертвой войны становится правда. Но надежный сигнал GPS занимает второе
место по степени опасности. Глушение сигналов глобальной навигационной
спутниковой системы (GNSS), такой как американская GPS, настолько легко
осуществимо, что стало обычным явлением, когда начинается стрельба. Более
сильные сигналы от нового оборудования могут затруднить глушение, но
потенциальный масштаб угрозы сейчас выглядит гораздо больше, чем считалось
ранее. В статье, опубликованной в июне группой исследователей под руководством
Тодда Хамфриса из Техасского университета в Остине, прослеживается связь
множества масштабных сбоев GPS в Европе и других регионах с 2019 года с
группировкой российских спутников. Исследование предполагает, что глушение или
даже непреднамеренные помехи из космоса могут затронуть целый континент.
Одной из альтернатив GNSS является простая установка камер на летательном
аппарате и использование программного обеспечения для отслеживания рельефа
местности. Но это работает только над сушей и может быть затруднено
облачностью, дымкой или темнотой. Поэтому исследуются два других, совершенно
разных метода. Один из них использует квантовые явления — угловой момент
фотонов и спин электронов — для отслеживания магнитных карт поверхности Земли.
Другой определяет положение наблюдателя, используя окружающие радиоволны,
передаваемые для других целей. Ни один из методов пока не может сравниться с
точностью GNSS, но оба становятся надежными резервными вариантами.
Многие горные породы обладают слабым магнитным полем, и их распределение в
земной коре приводит к нерегулярностям в магнитном поле планеты. Образующийся
ландшафт аномалий можно обнаружить практически в любых условиях, одинаково
хорошо как над сушей, так и над морем. Оснастив самолет магнитометром,
способным обнаруживать эти аномалии, и магнитной навигационной системой
(MagNav), которая может сопоставлять их с существующими картами, можно точно
определить его местоположение. В прошлом году австралийская компания Q - CTRL
продемонстрировала систему MagNav, которая оказалась точнее, чем ведущая
альтернатива GPS, во время испытательного полета над Новым Южным Уэльсом.
Датчик Q - CTRL измеряет локальную напряженность поля с помощью устройства,
называемого оптически накачиваемым магнитометром (ОПМ). Принцип его работы
заключается в направлении лазерного луча на облако атомов рубидия. Если
лазерный луч правильно настроен, электроны атомов переходят в состояние, в
котором они чрезвычайно чувствительны к внешним магнитным полям. Затем другой
лазер может быть использован для отслеживания поведения электронов и
определения окружающего магнитного поля, что позволяет программному
обеспечению системы определить его местоположение на карте.
Тем временем другие компании делают ставку на другой тип датчиков, способных
показывать не только силу поля, как это уже делают датчики Q - CTRL , но и его
направление. Они считают, что эти датчики, если их использовать для навигации
по создаваемым ими векторным картам, позволят наблюдателю более точно
определить свое местоположение.
Одна из таких компаний — канадская SB Quantum. Ее устройство называется NV
-алмазным магнитометром, в основе которого, как следует из названия, лежит
алмаз. Алмазы обычно не обладают магнитными свойствами, но их можно сделать
магнитными, создав в их кристаллической решетке так называемые
азотно-вакансионные (NV) центры. Это места, где два атома углерода в решетке
заменяются одним атомом азота, образуя щель, вокруг которой собираются
электроны. После помещения алмаза в магнитное поле регулярность его решетки
обеспечивает трехмерную сетку, относительно которой можно измерить поведение
электронов. Затем можно получить точные показания силы и направления поля.
На данный момент главным недостатком обоих подходов является нехватка
качественных карт земной коры. Те, что есть, как правило, не согласуются друг
с другом и часто не обладают точностью, необходимой для навигации. Поэтому
некоторые фирмы, в том числе SB Quantum, проводят разведывательные полеты для
создания собственных карт, в то время как другие, такие как калифорнийская
компания Sandbox AQ, предлагают улучшить и объединить разрозненные карты,
которые уже существуют. В июне эта фирма представила статью, в которой
предлагалось, чтобы американские правительственные учреждения, вооруженные
силы и исследователи работали вместе над этим в глобальном масштабе. Возможно,
их желание скоро исполнится. В июне Дональд Трамп призвал к развитию квантовых
технологий и поручил Министерству обороны изучить их применение.
Тем временем другие разрабатывают способы определения местоположения по уже
существующим спутниковым радиосигналам. Федеральная комиссия связи США
настаивает на продолжении работы над такими «сигналами попутного действия», и
несколько групп пытаются это сделать. Один из методов — измерение эффекта
Доплера. По мере приближения и удаления спутника частота его передач, кажется,
сначала повышается, а затем понижается, подобно свистку проходящего поезда.
Чем ближе наблюдатель к траектории спутника, тем быстрее изменяется частота.
Информация об орбитах спутников затем может быть объединена с измерениями
частоты для оценки местоположения.
Одним из пионеров в этой области является исследовательская лаборатория ASPIN
Lab при Университете штата Огайо. В ходе демонстрации на круизном судне у
берегов западной Гренландии 24 августа 2024 года ее система под названием
Matrix обработала сигналы от 21 широкополосного спутника Starlink и OneWeb,
пролетавших над судном. Получив начальное положение и скорость, система Matrix
определила местоположение судна всего в 27 метрах от его истинного положения.
Однако у позиционирования по эффекту Доплера есть существенный недостаток:
спутники могут отклоняться от курса или совершать маневры, чтобы избежать
потенциальных столкновений. Это, в свою очередь, может исказить оценки
положения приемника, вычисленные на основе доплеровских сдвигов. Стефано
Томазин, эксперт из Падуанского университета в Италии, говорит, что ошибки от
100 метров до более чем километра являются обычным явлением.
Однако точность должна улучшиться. Компания SpaceX, владеющая Starlink, теперь
публикует прогнозы орбит своих более чем 11 000 спутников. В отличие от данных
слежения, предоставляемых Космическими силами США, эти прогнозы учитывают
запланированные маневры. Доктор Хамфриз говорит, что прогнозы SpaceX, как
правило, точны с погрешностью всего в несколько метров от истинного положения
спутников. Это должно позволить приемникам лучше интерпретировать наблюдаемые
ими доплеровские сдвиги.
Еще один путь к повышению точности разрабатывает Марк Псиаки из Виргинского
политехнического университета. По его словам, секрет заключается в размещении
главного приемника в известном месте для сравнения ожидаемых доплеровских
сдвигов, рассчитанных по прогнозируемой траектории спутника, с фактически
наблюдаемыми, и передачи корректировок приемникам в неизвестных местах. При
финансовой поддержке Министерства транспорта США он разрабатывает такой
приемник, который, как он надеется, обеспечит точность позиционирования около
десяти метров.
Главный приемник доктора Псиаки также может способствовать еще одному способу
использования сигналов, находящихся в благоприятном положении: определению
времени, необходимого для распространения сигнала от источника к получателю.
По его словам, идея заключается в использовании известного положения главного
приемника и прогнозируемого компанией SpaceX положения спутника Starlink для
определения момента передачи сигнала. Время отправления сигнала затем может
быть передано приемникам, находящимся в неизвестных местах. Это позволит
каждому приемнику определить, сколько времени потребовалось одному и тому же
сигналу, чтобы достичь его местоположения, и, следовательно, его расстояние до
спутника. По словам доктора Псиаки, объединив измерения расстояний с четырех
спутников Starlink с данными о эффекте Доплера, приемник сможет определять
свое положение с точностью до двух метров.
Поиски расширились даже до передачи сигналов с вышек сотовой связи. В ходе
испытаний с американскими ВВС лаборатория ASPIN использовала Matrix для
навигации самолета, отслеживая мельчайшие изменения в сигналах, передаваемых
вышками мобильной связи. По словам директора лаборатории Зака Кассаса,
лицензия на Matrix была предоставлена компаниям и военным, и ожидается, что
комплект будет готов к выходу на рынок в течение двух лет. Таким образом,
более надежная навигация, возможно, уже доступна благодаря естественным и
искусственным сигналам, окружающим нас повсюду.
Источник
Комментарии
Отправить комментарий