Рост уязвимости GPS приводит к тому, что на карту выходят более устойчивые навигационные инструменты на основе атомарных технологий.
В конце сентября испанский военный самолет, перевозивший министра обороны страны на базу в Литве, предположительно подвергся своего рода атаке — не ракетами или зенитными снарядами, а радиопередачами, которые заглушили его систему GPS.
Самолет благополучно приземлился, но это был один из тысяч самолетов, пострадавших от масштабной российской кампании по созданию помех для GPS-приемников после вторжения в Украину в 2022 году. Растущие неудобства для воздушного движения и риск реальной катастрофы подчеркнули уязвимость GPS и привлекли внимание к более безопасным способам преодоления самолетами проблемы помех и подмены сигнала — термина, используемого для обмана GPS-приемника и создания у него ложного представления о местоположении.
Американские военные подрядчики запускают новые спутники GPS, использующие более мощные и интеллектуальные сигналы, а инженеры работают над улучшением навигационной информации на основе других источников, таких как сотовая связь и визуальные данные.
Однако еще один подход, разрабатываемый в лабораториях, — это квантовая навигация: использование квантовой природы света и атомов для создания сверхчувствительных датчиков, позволяющих транспортным средствам самостоятельно ориентироваться, не завися от спутников. Поскольку помехи GPS становятся все большей проблемой, исследования в области квантовой навигации стремительно развиваются, и многие исследователи и компании сейчас спешат протестировать новые устройства и методы. В последние месяцы Агентство перспективных оборонных исследований США (DARPA) и его подразделение оборонных инноваций объявили о выделении новых грантов на тестирование технологии на военной технике и подготовку к ее оперативному развертыванию.
Отслеживание изменений
Связанная статья
Пожалуй, самый очевидный способ навигации — это знать, где вы начали движение, а затем отслеживать свой путь, записывая скорость, направление и продолжительность поездки. Но хотя этот подход, известный в этой области как инерциальная навигация, концептуально прост, его сложно реализовать качественно; мельчайшие неопределенности в любых из этих измерений накапливаются со временем и приводят к большим ошибкам в дальнейшем. Дуглас Пол, главный исследователь британского Центра квантовой точности, навигации и синхронизации (QEPNT), говорит, что существующие специализированные инерциальные навигационные устройства могут показывать погрешность в 20 километров после 100 часов движения. Между тем, дешевые датчики, обычно используемые в смартфонах, создают более чем вдвое большую неопределенность всего за один час.
«Если вы управляете ракетой, которая летит одну минуту, этого может быть достаточно, — говорит он. — Но если вы находитесь в пассажирском самолете, этого определенно недостаточно».
Более точная версия инерциальной навигации использует датчики, основанные на квантовом поведении субатомных частиц, для более точного измерения ускорения, направления и времени.
Несколько компаний, таких как американская Infleqtion, разрабатывают квантовые гироскопы, отслеживающие направление движения транспортного средства, и квантовые акселерометры, позволяющие определить пройденное расстояние. Датчики Infleqtion основаны на методе, называемом атомной интерферометрией: пучок атомов рубидия облучается точными лазерными импульсами, которые расщепляют атомы на две отдельные траектории. Затем другие лазерные импульсы рекомбинируют атомы, и их показания измеряются детектором. Если транспортное средство поворачивало или ускорялось во время движения атомов, две траектории будут слегка смещены по фазе, что детектор сможет интерпретировать.
В прошлом году компания провела испытания этих инерциальных датчиков на специально оборудованном самолете, летавшем на британском военном полигоне. В октябре этого года Infleqtion провела первое реальное испытание нового поколения инерциальных датчиков, использующих непрерывный поток атомов вместо импульсов, что позволяет осуществлять непрерывную навигацию и избегать длительных задержек.
Компания Infleqtion также располагает атомными часами под названием Tiqker, которые помогают определить пройденное транспортным средством расстояние. Это своего рода оптические часы, использующие инфракрасные лазеры, настроенные на определенную частоту, для возбуждения электронов в рубидии, которые затем испускают фотоны с постоянной, известной частотой. Устройство «будет терять одну секунду примерно каждые 2 миллиона лет», — говорит Макс Перес, руководитель проекта, — и оно помещается в стандартную стойку для электронного оборудования. Оно прошло испытания в ходе полетов в Великобритании, на наземных транспортных средствах армии США в Нью-Мексико, а в конце октября — на подводной лодке-беспилотнике.
«Tiqker прекрасно работал в таких условиях, что неслыханно для предыдущих поколений оптических часов», — говорит Перес. В конечном итоге компания надеется уменьшить размеры и повысить прочность устройства, перейдя на лазеры, генерируемые микрочипами.
Магнитные поля
Транспортные средства, лишенные спутниковой навигации, не полностью предоставлены сами себе; они могут получать полезные подсказки из магнитных и гравитационных полей, окружающих планету. Эти поля незначительно меняются в зависимости от местоположения, и эти вариации, или аномалии, фиксируются на различных картах. Точно измеряя локальное магнитное или гравитационное поле и сравнивая эти значения с картами аномалий, квантовые навигационные системы могут отслеживать местоположение транспортного средства.
Эллисон Кили, исследователь в области навигации из Университета Суинберна в Австралии, работает над оборудованием, необходимым для этого подхода. Ее команда использует материал, называемый азотно-вакансионным алмазом. В NV-алмазах один атом углерода в кристаллической решетке заменяется атомом азота, а один соседний атом углерода полностью удаляется. Квантовое состояние электронов в NV-дефекте очень чувствительно к магнитным полям. Тщательное стимулирование электронов и наблюдение за испускаемым ими светом позволяет точно измерить силу поля в месте расположения алмаза, что дает возможность определить его местоположение на земном шаре.
Связанная статья
Кили говорит, что эти квантовые магнитометры имеют несколько существенных преимуществ перед традиционными, в том числе тот факт, что они измеряют направление магнитного поля Земли в дополнение к его силе. Эта дополнительная информация может упростить определение местоположения.
Технология еще далека от коммерческого внедрения, но Кили и несколько ее коллег успешно протестировали свой магнитометр в ходе серии полетов в Австралии в конце прошлого года, и они планируют провести еще несколько испытаний в этом и следующем году. «Вот тут-то и начинается самое интересное, поскольку мы переходим от теоретических моделей и контролируемых экспериментов к наземным, оперативным системам», — говорит она. «Это важный шаг вперед».
Хрупкие системы
Другие команды, такие как Q-CTRL, австралийская компания, занимающаяся квантовыми технологиями, сосредоточены на использовании программного обеспечения для создания надежных систем на основе зашумленных квантовых датчиков. Квантовая навигация предполагает использование этих чувствительных датчиков, отточенных в спокойных условиях лаборатории, и их размещение в транспортных средствах, которые совершают резкие повороты, подпрыгивают в условиях турбулентности и качаются на волнах, что мешает работе датчиков. Даже сами транспортные средства создают проблемы для магнитометров, особенно «тот факт, что самолет сделан из металла, со всей этой проводкой», — говорит Майкл Бирчук, генеральный директор Q-CTRL. «Обычно уровень шума в 100–1000 раз выше, чем уровень сигнала».
После того как инженеры Q-CTRL в прошлом году провели испытания своей магнитной навигационной системы на специально оборудованном самолете Cessna, они использовали машинное обучение для обработки данных и попытки отделить сигнал от шума. В итоге они обнаружили, что могут отслеживать местоположение самолета с точностью до 94 раз выше, чем это могла бы делать обычная инерциальная навигационная система стратегического класса, как сообщил Бирчук. О своих результатах они объявили весной прошлого года в статье, не прошедшей рецензирование.
В августе компания Q-CTRL получила два контракта от DARPA на разработку своего «программно-защищенного» магнитонавигационного продукта под названием Ironstone Opal для оборонных целей. Компания также тестирует технологию с коммерческими партнерами, включая оборонных подрядчиков Northrop Grumman и Lockheed Martin, а также Airbus, производителя аэрокосмической техники.
«Компания Northrop Grumman сотрудничает с Q-CTRL для разработки магнитной навигационной системы, способной выдерживать физические нагрузки реального мира», — говорит Майкл С. Ларсен, архитектор квантовых систем в компании. «Такие технологии, как магнитная навигация и другие квантовые датчики, откроют возможности для обеспечения навигации даже в условиях отсутствия или ухудшения сигнала GPS».
Сейчас компания Q-CTRL работает над размещением Ironstone Opal в более компактном и прочном контейнере, подходящем для развертывания; в настоящее время, по словам Бирчука, «это выглядит как научный эксперимент, потому что это и есть научный эксперимент». Он рассчитывает поставить первые коммерческие образцы в следующем году.
Объединение данных с датчиков
Даже несмотря на то, что квантовая навигация становится достойной альтернативой спутниковой навигации, сами спутники совершенствуются. Современные спутники GPS III включают новые гражданские сигналы, называемые L1C и L5, которые должны быть точнее и их сложнее заглушить и подделать, чем существующие сигналы. Полная эксплуатация обоих сигналов запланирована на конец этого десятилетия.
Предполагается, что американские и союзные военные пользователи получат доступ к гораздо более мощным инструментам GPS, включая M-код — новую форму сигнала GPS, которая сейчас внедряется, и региональную военную защиту — сфокусированный луч GPS, который будет ограничен небольшими географическими районами. Последний начнет становиться доступным, когда на орбиту будут выведены спутники поколения GPS IIIF, запуск первого из которых запланирован на 2027 год. Представитель Lockheed Martin заявляет, что новые спутники GPS с M-кодом в восемь раз мощнее предыдущих, а модель GPS IIIF будет в 60 раз мощнее.
Связанная статья
Подробности гонки за поиском альтернатив GPS Читать далее
Другие планы предполагают использование навигационных спутников на низкой околоземной орбите — в зоне, занимаемой интернет-платформой Starlink компании SpaceX, — а не на средней околоземной орбите, используемой GPS. Поскольку объекты на низкой околоземной орбите находятся ближе к Земле, их сигналы сильнее, что затрудняет их глушение и подмену. Спутники на низкой околоземной орбите также быстрее перемещаются по небу, что еще больше затрудняет их подмену и помогает GPS-приемникам быстрее определять их местоположение. «Это действительно способствует сближению сигналов», — говорит Лотфи Массарвех, исследователь спутниковой навигации из Делфтского технологического университета в Нидерландах. «Они могут получить точное местоположение всего за несколько минут. Так что это огромный шаг вперед».
В конечном итоге, говорит Массарве, навигация будет зависеть не только от спутников, квантовых датчиков или какой-либо другой отдельной технологии, но и от их комбинации. «Необходимо всегда думать в терминах объединения данных с датчиков», — говорит он.
Навигационные ресурсы, используемые транспортным средством, будут меняться в зависимости от окружающей среды — будь то пассажирский самолет, подводная лодка или беспилотный автомобиль в городском каньоне. Но квантовая навигация станет одним из важных ресурсов. Он говорит: «Если квантовые технологии действительно обеспечат то, что мы видим в литературе — если они будут стабильны в течение недели, а не десятков минут, — тогда это полностью изменит правила игры».
Источник: www.technologyreview.com
![Кадр из фильма с мужчиной в форме, текст: "Вы ведь включали сегодня [ценз], верно?"](https://ideipro.ru/wp-content/uploads/2026/03/file_1882.jpg)
