Военная авиация постепенно сталкивается с проблемой, которая еще недавно казалась чисто технической деталью: GPS больше нельзя считать безусловно надежным источником навигации. Спутниковый сигнал можно заглушить или подменить, а в некоторых местах — например, в глубоких каньонах или плотной городской застройке — он и сам становится менее точным.
Компания Northrop Grumman совместно с квантово-технологической компанией SandboxAQ испытала на беспилотнике Lumberjack альтернативную систему навигации. Она определяет положение летательного аппарата по мельчайшим особенностям магнитного поля Земли — без обращения к спутникам.
Как работает квантовая навигация
Идея напоминает старый навигационный прием, только вместо глубины моря используется магнитное поле планеты.
Представим, что корабль оказался в густом тумане. Если эхолот показывает глубину, а у капитана есть подробная карта рельефа морского дна, характерные изменения глубины позволяют определить местоположение. Система AQNav от SandboxAQ действует по сходному принципу, но в трех измерениях.
Магнитное поле Земли не одинаково во всех точках. Его характеристики немного меняются в зависимости от положения: отличается напряженность поля, направление относительно магнитного севера и угол его наклона. Все эти особенности можно представить как своеобразный магнитный «отпечаток» конкретного участка планеты.
AQNav измеряет такой отпечаток, а затем сопоставляет полученные данные с заранее созданной картой магнитного поля. Для обработки используется специализированная количественная модель на основе искусственного интеллекта. В результате система может вычислять положение аппарата в реальном времени.
Ключевой компонент системы — оптически накачиваемый магнитометр (Optically Pumped Magnetometer, OPM). Внутри него находится небольшая стеклянная ячейка с парами щелочного металла — например, рубидия, цезия или калия.
На атомы воздействует поляризованный лазер определенной частоты. Свет заставляет их выстроиться определенным образом. Когда на них начинает действовать внешнее магнитное поле, в том числе магнитное поле Земли, состояние атомов слегка изменяется — они начинают своеобразно «колебаться». Измеряя это изменение, магнитометр определяет характеристики магнитного поля с чрезвычайно высокой точностью — вплоть до 10⁻¹⁵ тесла.
Почему для этого не нужен жидкий гелий
Еще недавно слово «квантовый» в описании навигационной системы почти наверняка означало бы сложное оборудование с серьезными требованиями к охлаждению. Но AQNav работает при комнатной температуре.
Это принципиально важно для авиации. Любая дополнительная система на борту конкурирует за массу, объем и энергопотребление. Установить огромную лабораторную установку с криогенным охлаждением на небольшой беспилотник было бы бессмысленно.
Lumberjack сам по себе весит около 36 кг без полезной нагрузки, а его максимальная взлетная масса составляет примерно 131 кг. Поэтому компактный магнитометр, которому не требуются баллоны с жидким гелием и сложная система охлаждения, оказывается гораздо практичнее.
Навигация без спутников
Главное преимущество такого подхода заключается в самом источнике навигационной информации.
GPS и другие глобальные спутниковые навигационные системы передают радиосигналы, а значит, эти сигналы можно подавлять или имитировать. Магнитное поле Земли, напротив, существует независимо от спутниковой инфраструктуры.
AQNav не отправляет запросы на спутники и не ожидает от них координат. Датчик пассивно измеряет естественное магнитное поле, после чего программное обеспечение определяет, где находится аппарат.
Именно поэтому Northrop Grumman характеризует такую навигацию как устойчивую к глушению и подмене спутникового сигнала. Впрочем, корректнее понимать это как отсутствие зависимости от обычного радиоканала GPS/GNSS, а не как абсолютную неуязвимость любой возможной системы магнитной навигации.
Квантовый магнитометр работает вместе с другими системами
Испытания Lumberjack показали еще одну важную возможность: магнитная навигация способна работать совместно с визуальной системой ориентирования.
Это принципиальный момент. Современный беспилотник не обязательно должен выбирать единственный способ определения своего положения. Несколько независимых источников информации можно объединять, чтобы компенсировать недостатки каждого из них.
Кроме того, модульная архитектура AQNav позволяет интегрировать систему в существующую бортовую вычислительную инфраструктуру. SandboxAQ сообщает, что в случае Lumberjack установка программного обеспечения заняла менее часа, а полноценные летные испытания начались менее чем через месяц после начала интеграционных работ.
По данным компании, технология AQNav ранее уже проходила летные испытания на других авиационных платформах, включая транспортные самолеты Airbus и Boeing, а также C-17 Globemaster III и C-130J Super Hercules.
Зачем беспилотникам магнитная карта Земли
Современные автономные летательные аппараты все чаще должны работать в условиях, когда спутниковая навигация ненадежна. Причины могут быть разными: намеренное радиоэлектронное подавление, помехи, особенности рельефа или недостаточная видимость спутников.
В таких условиях навигационная система, которая вообще не зависит от GPS, становится дополнительным источником координат. Она особенно интересна для автономных аппаратов, которым необходимо самостоятельно поддерживать маршрут и положение в пространстве.
Northrop Grumman позиционирует Lumberjack как модульную платформу, рассчитанную на быстрое изменение конфигурации и интеграцию различных технологий. Компания также указывает, что аппарат предназначен для совместной работы с другими беспилотными и пилотируемыми платформами.
При этом сама стоимость платформы остается относительно невысокой для военной авиации: New Atlas оценивает стоимость планера Lumberjack примерно в $75 000–100 000. Добавление навигации, основанной преимущественно на программном обеспечении и компактных датчиках, не должно превращать такую платформу в чрезвычайно дорогой специализированный аппарат.
Новый взгляд на старое магнитное поле
В каком-то смысле технология AQNav превращает Землю в гигантскую навигационную карту. Спутники здесь не нужны — достаточно научиться достаточно точно распознавать естественные магнитные особенности планеты.
Пока речь идет о летных испытаниях и развитии технологии, а не о полном отказе от GPS. На практике наиболее полезным может оказаться именно сочетание нескольких методов: спутниковой навигации, визуального ориентирования, инерциальных датчиков и магнитной навигации.
Чем больше независимых способов определить собственное положение получает автономный аппарат, тем меньше вероятность того, что потеря одного источника информации полностью лишит его способности ориентироваться. И в этом отношении квантовый магнитометр представляет интерес далеко за пределами одного конкретного беспилотника.
