Новейшая система навигации создана в России.
В России создали незаглушаемую систему навигации
Госкорпорация «Ростех» создала систему локальной радионавигации, обеспечивающую эффективную защиту от помех и повышенную по сравнению со спутниковыми системами точность. На базе этой технологии возможно создавать защищенные от глушения противоугонные системы, средства мониторинга транспорта, а также объектов, которые плохо видны спутникам ГЛОНАСС. В будущем новая система может быть использована в наземных беспилотных транспортных средствах, где безопасность движения требует точности в пределах 10 см. Специалисты объединенного холдинга «Росэлектроника» (входит в «Ростех») разработали новую систему локальной радионавигации, которая на начальном этапе обеспечивает точность позиционирования объектов до 10 см. Точность систем спутниковой навигации — в диапазоне 1-3 м. Как рассказали в «Ростехе», в настоящее время идет тестирование четырех передающих устройств. В дальнейшем планируются испытания системы с использованием вышек операторов мобильной связи. По данным разработчиков, сигнал в сети будет не только более устойчив к подавлению в сравнении со спутниковым, но и защищен от подмены — специальный алгоритм обеспечит его постоянное изменение. Что такое подмена навигационного сигнала — с некоторых пор хорошо известно столичным автомобилистам, проезжающим мимо Кремля. Периодически навигатор указывает местом нахождения аэропорт Внуково — более мощный сигнал дается поверх спутникового.
Система практически полностью исключит возможность стороннего воздействия с целью искажения или похищения навигационных данных. В этом — одно из основных отличий разработки от глобальных систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo, сигналы которых хорошо известны, постоянны и могут быть подвержены воздействию с враждебными целями, — отметил представитель «Ростеха». Система локальной навигации использует дальномерный принцип, пояснили в «Росэлектронике». Для определения положения объекта измеряют расстояние от него до нескольких реперных точек с известными координатами.
— В сентябре будут проходить испытания системы в Тимирязевском парке в Москве с установкой шести базовых станций на вышках мобильной связи. Наша задача в ходе этой работы довести точность позиционирования системы до 2-3 см по горизонтали и до 10 см по вертикали. Далее будем продолжать повышать точность вплоть до 2-3 мм. В перспективе навигационная система сможет функционировать на расстоянии до 50-70 км до ближайших базовых станций, — сообщили в «Росэлектронике». Австралийская компания Locata в настоящее время развертывает в США аналогичную навигационную сеть, которая применяется в интересах промышленности и военных. Точность позиционирования у этой системы на момент ее тестирования в 2011 году составляла 10 см по горизонтали и 15 см по вертикали. В настоящее время ее точность удалось улучшить до 3-5 мм. Среди других менее известных зарубежных аналогов — американская UHRS и британская PINpoint. В НП «ГЛОНАСС» (федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности) отметили, что разработанная система обладает большей устойчивостью к помехам по сравнению с зарубежными аналогами. Это обеспечивается за счет более сложного, постоянно меняющегося сигнала, который невозможно подделать. При этом основной недостаток глобальных навигационных спутниковых систем — низкая помехоустойчивость в условиях постановки искусственных шумовых и имитационных помех.
— Были разработаны комплект сверхбольших интегральных систем и плата для отладки аппаратного и программного обеспечения модуля системы. Основные преимущества разрабатываемой отечественной системы перед зарубежными аналогами: асинхронный режим работы (реакция на каждую одиночную посылку), более высокая точность и в асинхронном, и тем более в периодическом (стандартном) режиме, большая скорость передачи информации по помехозащищенным скрытым линиям связи, что позволяет использовать ее одновременно в качестве навигационно-связной системы и системы мониторинга состояния объектов, — рассказал представитель НП «ГЛОНАСС». По мнению заместителя генерального конструктора «Цифровых радиотехнических систем», технология «Ростеха» похожа на разработки, использующие принцип псевдоспутника: они функционируют идентично глобальным навигационным спутниковым системам, но с размещением передатчиков на земле. Плюсы псевдоспутника — высокая мощность сигнала, что повышает надежность системы, а также оптимальная геометрия, обеспечивающая точность определения цели. Такая технология уже много лет используется в военных целях, но до сих пор массового распространения в гражданском секторе не получила.
— В основе единой информационной среды транспортного комплекса лежат технологии глобальных навигационных спутниковых систем. Речь, в частности, об ЭРА-ГЛОНАСС, государственной системе экстренного реагирования при авариях и чрезвычайных ситуациях. Мы считаем, что при разработке новых решений необходимо рассматривать комплексные подходы, чтобы избегать тиражирования сервисов, которые могут не вписаться в общегосударственную политику в области информационных транспортных систем. Создаваемая технология может стать основой для противоугонных систем, защищенных от глушения, систем мониторинга движения транспорта, а также объектов, которые плохо видны спутникам ГЛОНАСС. В «Ростехе» считают, что в будущем новую разработку можно использовать в наземных беспилотных транспортных средствах, где безопасность движения требует точности в пределах 10 см. Однако представитель рабочей группы «Автонет» Национальной технологической инициативы отметил, что вопрос использования подобной системы для беспилотного движения нуждается в дополнительном изучении. Передатчики системы локальной навигации планируется размещать на вышках мобильной связи. Стоимость базовой станции составляет около 60 тыс. рублей. Размеры модуля системы для конечного пользователя, например автовладельцев, не превысят 50×100 мм.
Новая российская система навигации будет работать без спутников
Учёные и инженеры московского научно-исследовательского института микроэлектронной аппаратуры «Прогресс» заявили о том, что на их предприятии ведётся разработка современной локальной системы навигации, не зависящей от сигналов навигационных спутников. Точность позиционирования подобной системы составит от 1 до 10 сантиметров по горизонтали и в пределах 15 сантиметров по вертикали. По словам первого заместителя генерального директора «Прогресса» Игоря Корнеева, одна из основных целей разработки — это обеспечение полётов беспилотников. О работе над новой системой учёные «Прогресса» и их коллеги из ГОСНИИ АС рассказали на IX международном навигационном форуме в Москве.
Спутниковые системы глобального позиционирования (ГНСС — глобальные навигационные спутниковые системы) существуют давно и широко используются: американская система GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo, китайская Beidou… Работа этих систем обеспечивается группировками спутников на орбитах в несколько десятков тысяч километров высотой. Все эти спутники передают сигналы, улавливаемые приёмниками, — которые и вычисляют собственное местонахождение. При этом ГНСС имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как полное покрытие Земли и околоземного пространства, бесплатный доступ к системе, доступность унифицированного оборудования для всех пользователей и т.д.
Но, несмотря на очевидные преимущества, спутниковые системы имеют и определённые недостатки, главным из которых является низкая помехоустойчивость. При желании заглушить сигналы ГНСС не составляет труда. Для того, чтобы сделать невозможным приём сигнала, идущего от спутника, находящегося на расстоянии 20 000 км, требуется генератор имитационно-шумовой помехи мощностью 2 Вт, расположенный в радиусе 160 км от приёмника. Этим часто пользуются злоумышленники, заглушая сигнал GPS в противоугонных устройствах. Критически важными могут стать проблемы с естественными или искусственными помехами в спутниковых системах навигации при повсеместном распространении автоматических беспилотников, доставки при их помощи продуктов, почты, лекарств…
Для того чтобы устранить недостатки системы спутниковой навигации, создаются локальные наземные системы позиционирования (ЛСН). В таких системах навигационные сигналы передаются с наземных вышек, покрывающих сетью заданный район. Помехоустойчивость такой системы на четыре порядка (то есть, в десять тысяч раз) выше, чем у спутниковых систем навигации. В качестве примера можно привести следующий расчёт: для того, чтобы полностью исключить приём сигнала от передатчика ЛСН мощностью 2 Вт, находящегося на расстоянии 20 км, потребуется генератор помех мощностью более 20 кВт. Кроме этого, важное преимущество локальной системы навигации — широкий диапазон потенциальных частот передатчика. Это ещё больше затрудняет постановку помех.
В настоящее время, используя достижения микроэлектроники, удалось реализовать основную аппаратуру ЛСН всего на двух микросхемах (радиочастотной и цифровой). Система очень компактна: может быть встроена в сотовый телефон, планшетник, скрытно размещена на теле человека или на корпусе объекта, может выполнять и навигационные, и охранные функции. Скрытность работы системы обеспечивается использованием специальных генераторов случайных последовательностей, меняющихся по сложному закону, что не позволяет третьей стороне войти через эфир в систему, чтобы нарушить её функционирование и, вообще, узнать, что она работает.
По словам Игоря Корнеева, сначала предполагается развернуть разрабатываемую систему на полигоне, для чего необходимо установить как минимум 4 вышки, находящиеся друг от друга на расстоянии 20 км. После отладки рабочих режимов предполагается развернуть ЛСН в опытном районе в Московской области. В дальнейшем такая система может быть использована в различных целях: в качестве противоугонной системы, системы точной посадки беспилотных летательных аппаратов. В применении предлагаемой системы заинтересованы органы МВД и МЧС.
«Прогресс» уже провёл переговоры с представителями концерна «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) по использованию новой системы для обеспечения точной посадки беспилотников. Интерес КРЭТ понятен: при современных средствах радиоэлектронной борьбы системы спутниковой навигации беспилотников оказываются бессильны.
Нужно отметить, что новая система — не первая подобная система, разабатываемая в нашей стране и за рубежом. Небезуспешные попытки построить альтернативную спутниковым локальную систему навигации предпринимались в России в 80-х, 90-х годах прошлого века — в Москве и в 2000 году — в городе Балашиха Московской области.
В 1950-е годы, ещё до спутниковых систем, в СССР и США были разработаны системы «Чайка» и Loran. Эти системы работали в диапазоне динных волн и отличались невысокой точностью местоопределения — порядка 100 м. Но из-за опасности вывода из строя ГНСС сейчас и в США и в России принято решение расконсервировать системы Loran и «Чайка».
Двумя десятилетиями позже появилась отечественная объединённая система навигации и обмена данными ОСНОД. По словам Игоря Корнеева, по сравнению с ОСНОД, разработанная «Прогрессом» новая система обладает гораздо большей точностью и помехоустойчивостью.
В России создают гравитационную навигацию для военной техники
Соответственно, точное знание местоположения не связано более с защищённостью от помех или от направленного РЭБ-воздействия, от метеоусловий и магнитных аномалий, нарушающих канал связи и прочее.
Любопытно, что это открытие подтвердил Алексей Абрамов, глава Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт).
Чиновник даже добавил, что такая система не просто должна дополнить отечественный ГЛОНАСС, но может стать незаменима для объектов, находящихся, например, под поверхностью земли (в туннелях) или под водой, где приём сигнала с орбиты, естественно, затруднён.
В целом технология основана на изучении аномалий гравитационного поля Земли и, следовательно, на российском открытии квантовой механики – одного из самых новых разделов физики. В настоящее время российские метрологи занимаются воистину титанической задачей: они снимают показания и вводят в искусственный интеллект гравитационные характеристики каждой точки поверхности.
Такая работа осуществляется по принципу анализа Big Data, то есть сверхбольших массивов данных. В России, да и в мире, число машин, способных справиться с подобной задачей – считанные единицы.
Но одними гравитационными полями новая система определения координат не ограничивается. Важной составляющей исследования является и изучение магнитного поля. В отличие от гравитации это более привычная для наших учёных область знаний. Но практические работы и здесь не проводились уже очень много лет – фактически с восьмидесятых годов прошлого столетия.
Составлением новой карты геомагнитных аномалий и заняты, в том числе, спутники нашей навигационной системы ГЛОНАСС.
В природе магнитное поле планеты используют многие животные. Пернатые ориентируются таким образом в безопорном пространстве, перелетая зачастую на колоссальные расстояния.
Военное применение открытия
Разумеется, применение привязки к местности по изменению гравитационного поля может стать незаменимым для наших подводных лодок и других особых видов техники.
Интерес к открытию диктуется в первую очередь полной помехозащищённостью новой системы навигации. Иными словами, ничто не в состоянии исказить гравитационное поле планеты. Показания, снимаемые при помощи гравиметров и градиентометров, будут всегда чистыми от постороннего воздействия.
Но гравитационная система навигации не годится для гражданского использования. Дело в том, что она основана на подробнейшей карте силы притяжения, воздействующей на любое материальное тело, а также на другом векторе – центробежной силе, связанной с вращением Земли. Вместе эти два разнонаправленных вектора дают нам силу тяжести. Она неравномерна в каждой точке поверхности.
Микроколебания силы тяжести можно картографировать, привязав к конкретному маршруту. Таким образом, высокоточное оружие, например, крылатая ракета, всегда найдёт свой путь даже при отключённой системе определения на местности при помощи спутников.
Для баллистических ракет, определяющих свой путь в верхней точке траектории по карте звездного неба, такой метод может быть вспомогательным. Однако микроизменения силы тяжести в каждой точке поверхности надо постоянно уточнять.
Мы картографируем Луну
Но одной планетой Земля использование такого принципиально нового прикладного открытия не ограничивается. Так, как подтвердили журналистам в пресс-службе Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), гравитационная карта поможет будущим российским (а возможно, и не только) жителям посёлков на поверхности Луны. Сейчас исследователи института занимаются программно-математическим моделированием, создавая матрицу планетоида.
А что за рубежом?
Проблемой изучения гравитационного поля занимается европейская космонавтика.
Справка
Данные европейским учёным поступали от функционировавшего 4 года, с 2009-го по 2013 г., на полярной орбите GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) – спутника, исследующего гравитационное геополе и океанические течения. Аппарат различал изменение притяжения на уровне одной десятитриллионной. Он оказался способен нанести на карту перепады высот в 1-2 сантиметра на площади 100 километров.
Для того чтобы добиться максимальной точности измерений, спутник был сделан без подвижных частей – все детали внутренних механизмов были намертво закреплены, а для коррекции движения использовалась ионная силовая установка.
Побочным эффектом таких исследований было наблюдение за таянием Антарктиды, изменением течений (меряется высота воды) и за другими важными параметрами. Другим следствием детальных знаний о гравитационных аномалиях было получение новых данных о магматических течениях под корой Земного шара. Такие сведения важны и для вулканологов.
Кстати, именно в результате работы европейского спутника удалось выяснить, что наше небесное тело отнюдь не круглой или овальной формы, а напоминает. неравномерно приплюснутую картофелину.
Изучением гравитации занимаются и в США. Около года назад ракета Falcon доставила на околоземную орбиту очередную пару спутников GRACE-FO для картографирования гравитационных полей. Первые 2 спутника Вашингтон запустил на 500-километровую высоту ещё в 2002 г. Использование сразу двух аппаратов резко повысило точность анализа, так что можно смело утверждать, что после 15 лет непрерывного сбора данных Пентагон обладает отличной навигационной картой по гравитационным перепадам.
Аналогичные работы США провели ещё в 2011-2012 гг. на Луне. Там они использовали спутники GRAIL.
Необъяснимые гравитационные аномалии
Уже сейчас изучение гравитации выделяется в отдельную область научных знаний. Ещё очень многое для учёных здесь остаётся непонятным. Речь, в частности, идёт о так называемых гравитационных аномалиях – таких местах, где сила тяжести не действует на предметы или действует искажённо.
Хрестоматийным случаем таких локальных геоаномалий является так называемая зона Прейзера в штате Калифорния.
Запущенный по наклонной поверхности вниз шар здесь останавливается и катится обратно, вверх по склону. А в центре зоны, в сохранённой на правах музея хижине первооткрывателя, каждый вторник утром сила тяжести пропадает на несколько секунд, что даёт возможность посетителям. левитировать. Лазерный луч от прибора, помещённого в зону, неожиданно самопроизвольно меняет направление и наклоняется в сторону земли.
Точное знание природы гравитации даст возможность продвинуться в области создания не только приборов, но и силовой установки, прототип которой уже разработал отец квантовой механики Владимир Леонов.
Жизнь без спутников. Новые системы навигации России
В России продолжаются разработки системы, которая будет существенно надёжнее спутниковой, в том числе в связи с независимостью работы от климатических условий и наличия каких-либо препятствий (горы, тоннели и т.п.). Учёные отмечают, что речь идёт о системе навигации, которая основывается не на получении сигналов от спутников, а на методе гравитационного анализа.
Речь идёт о системе навигации (глобального позиционирования) нового поколения, которая при определении координат объекта не будет использовать спутники.
Этот метод уже заинтересовал военных, ведь метод гравитационного определения координат позволит не только ускорить процесс глобального позиционирования для высокоточного оружия, но и повысить его точность в различных средах. Подход актуален, например, для применения
Действительно такая система вряд ли подходит для навигации в классическом понимании – ведь можно потратить много ресурсов на картографирование, но потом микро землетрясение сместит литосферную плиту на миллиметры и карта утратит актуальность. Но если координаты цели можно заложить в ГСН в виде гравитационного отпечатка места, снятого дроном накануне, а также прорисовать путь движения ракеты по такой же гравитационной карте, то GPS или Глонасс будет не нужен. Тем более в условиях войны, он скорее всего будет заглушен.
В чём он заключается?
Если говорить упрощённо, то заключается он в учёте кривизны земной поверхности. Так, каждая точка поверхности земли испытывает на себе силу притяжения, и эти силы для разных точек отличаются (даже показатели ускорения свободного падения в каждой точке различны – на небольшой процент).
Причина связана в том числе с тем, что точки располагаются на «своих» высотах относительно уровня моря (или под этим уровнем). Точки обладают собственными гравитационными потенциалами. И если все эти параметры учесть математически, то можно с помощью компьютерных технологий создать систему координат – на основе учёта гравитационных характеристик участков поверхности нашей планеты.
Такой подход позволит определять координаты с высокой степенью точности не только на поверхности Земли, но также в любом её слое, под водой и в небе.
На данный момент основная сложность для учёных состоит в том, что построение гравитационной карты координат требует времени, ведь речь идёт о многоступенчатых вычислениях, которые должны отличаться высочайшей точностью – минимальной погрешностью.
Гравитационное поле Земли отличается от поля идеальной планеты, главным образом, из-за рельефа земной поверхности и различий пород, слагающих земную кору и верхнюю мантию. Гравитационное поле неоднородно и неизотропно, т.е. его характеристики изменяются в разных местах и по разным направлениям.
В значительно меньшей степени, чем электромагнитное поле, оно изменяется с течением времени из-за тектонических движений и приливного действия тел Солнечной системы. Неоднородность гравитационного поля безусловно влияет на движение летательных аппаратов в приземном пространстве, Возможности коррекции инерциальных навигационных систем на основе гравиметрических карт земли поскольку изменяется траектория полёта и искажаются показания бортовых инерциальных навигационных систем. Неоднородность поля сказывается и на движении низкоорбитальных ИСЗ.
Для высокоорбитальных спутников поле притяжения Земли зачастую основано на моделях Земли типа эллипсоида или сфероида, и только в отдельных случаях, в высокоточных субмиллиметровых геодезических выводах учитывается нестационарность гравитационного поля во времени. Возможности применения данных об аномальном гравитационном поле в баллистических и навигационных расчётах вытекают из относительной стабильности параметров ГПЗ. Однократные измерения отклонений реального поля от нормального по поверхности Земли полученные характеристики можно использовать в течение десятков лет.
Так используются результаты гравиметрических съёмок (в т. ч. гравиметрические карты), и в меньшей степени схемы уклонений отвесной линии и вариометрические данные (определения горизонтальных градиентов силы тяжести). Известно, что корректировка акселерометров по трём компонентам реального гравитационного поля может улучшить навигационные характеристики до 14% по положению и до 30% по скорости
Вся территория России и СНГ покрыта гравиметрической съемкой масштаба 1:1 000 000 c плотностью 1 пункт на 25—30 км2 и ошибкой 0,5 см/с2 . Для расчётов на ЭВМ информацию с гравиметрических карт М 1:200 000 и М 1:1 000 000 осредняют на регулярную сетку аномалий силы тяжести по ячейкам 5´×7,5′ (широта×долгота).
В последние два десятилетия состоялись крупные зарубежные международные проекты по изучению тонкой структуры гравитационного поля Земли, многократно возросли детальность и объём доступных данных. В проектах реализованы новые методы: спутниковая альтиметрия (измерение высоты спутника над морской топографической поверхностью), спутниковая градиентометрия (измерение вторых производных потенциала вдоль орбиты низкоорбитального ИСЗ).
Спутниковые данные об аномальном потенциале комбинируют с наземными и получают разложение потенциала притяжения в ряд по сферическим функциям — наиболее традиционный способ представления гравитационного поля Земли.
Вблизи Земли, на высотах до 10 км можно использовать данные об аномалии силы тяжести, полученные на поверхности. При этом следует исключить влияние центробежной силы. Далее с увеличением высоты следует учитывать отличие реального градиента силы тяжести от нормального по данным градиентометрии.
Целью обработки авиагравиметрической информации являются высокоточное определение удельной силы тяжести вдоль траектории движения летательного аппарата по измерениям наземно-бортового комплекса и последующее построение карт гравитационных аномалий.
В начале 90-х годов произошло качественное изменение в авиационной гравиметрии. Начался активный этап разработки и внедрения в практику промышленных авиационных гравиметрических систем. Это было вызвано полноценным развертыванием высокоточной спутниковой навигационной системы GPS с достаточным числом навигационных спутников, равномерно покрывающих земную поверхность; достижениями в микропроцессорной технике, позволившими решить многие проблемы совершенствования чувствительных элементов гравиметрических комплексов, систем регистрации и синхронизации информационных потоков; качественно новыми возможностями персональных компьютеров; появлением новых возможностей приборной интеграции инерциальных систем навигации с гравиметрами нового поколения; поддержкой гравиметрических проектов на государственном уровне и активным привлечением частных инвестиций.
Входной информацией для обработки служат: записанная на борту летательного аппарата выходная информация инерциальной навигационной системы; измерения гравиметров; показания бортового и наземного приемников спутниковой навигационной системы.
Задача авиагравиметрии относится к классу обратных задач механики – восстановлению сил по движению. Такие задачи, как известно, некорректны с математической точки зрения, что делает их трудно разрешимыми.
