Пентагонът вече не може да се довери на GPS - квантовата физика ли е решението?

Миналият месец на малко летище в австралийската провинция излетя малък самолет, носещ устройство, което би могло да промени начина, по който американските дронове, самолети и кораби се ориентират по бъдещите бойни полета, пише WSJ.

Полетът е носил инструмент, който насочва лазери към атоми, които действат като стрелки на компас, за да измерват магнитното поле на Земята в реално време. Показанията от устройството могат да бъдат сравнени с карта на магнитното поле, помагайки на потребителя да определи местоположението си и предлагайки резервно копие на сателитна навигация като GPS.

За САЩ и техните съюзници намирането на нови начини за навигация е от решаващо значение. Във войната в Украйна Русия заглушава и подправя сигнали – блокира и фалшифицира – толкова често, че сателитната навигация не е надеждна. Други потенциални противници, включително Китай и Северна Корея, притежават подобни възможности.

Подправянето на GPS данни от военни се е превърнало в опасност и за цивилното население, представлявайки риск за търговските самолети .

Учени по целия свят изследват дали овладяването на квантовите свойства на атомите може да помогне за точна навигация в така наречените оспорвани среди. Но все още не е ясно дали устройствата, които работят добре в лаборатории и полеви тестове, биха се представили надеждно при реални военни мисии.

Магнитното поле на Земята има малки вариации от място на място. Чрез сравняване на показанията в реално време с подробна карта на магнитното поле на борда, летателният апарат може да определи местоположението си без GPS.

Пентагонът се надява да реши този проблем.

През август агенцията за научноизследователска и развойна дейност към Министерството на отбраната стартира програма, която ще помогне за повишаване на надеждността на квантовите сензори.

Агенцията заяви, че изключителната чувствителност на устройствата ги прави крехки в реални условия, където вибрациите или електромагнитните смущения могат да влошат производителността. Австралийската компания Q-CTRL беше избрана за участие; друга компания, Safran Federal Systems в Рочестър, Ню Йорк, също заяви, че е получила договор.

Работата придобива все по-голяма спешност. Русия и Китай усъвършенстваха възможностите си за електронна война. Европейски представители обвиниха Русия в широко разпространено заглушаване на самолети.

Проблемът с GPS е, че сигналите обикновено са слаби, което ги прави лесни за блокиране.

САЩ въвеждат нов, по-мощен GPS сигнал за военните, наречен M-code, който е по-устойчив на заглушаване, но има забавяне в получаването на финансиране за приемниците, необходими за използването му, каза Тод Харисън, старши сътрудник в Американския институт за предприемачество, който се фокусира върху отбранителната стратегия и космическата политика.

Квантовите устройства, потенциално работещи заедно, биха могли да наклонят везните, казват поддръжниците. Квантовите часовници, например, биха могли да повишат прецизността и точността на отчитане на времето. Друг квантов сензор, също разработен от Q-CTRL, може да се ориентира, като открива малки промени в гравитацията.

„Квантовото наблюдение е приоритет“, каза Таня Монро, главен учен в австралийското Министерство на отбраната, което беше домакин на изпитание на гравитационния сензор Q-CTRL на един от своите кораби. „Има абсолютна, движеща сила да може да се работи с пълно отричане на GPS.“

Устройството Q-CTRL в самолета в Грифит, град с около 27 000 жители, се нарича оптично напомпван магнитометър. То изстрелва лазери към атоми на рубидий, мек, сребристобял метал, които се държат в газообразна форма в малък стъклен флакон. Лазерите помагат за измерване на промените във вътрешната стрелка на компаса на атомите, която се използва за изчисляване на силата на магнитното поле.

Софтуерът на Q-CTRL премахва смущенията от външни източници, като например самия самолет, като по този начин се получава точно измерване на магнитното поле на Земята на това място, което може да се сравни с магнитна карта. Такива карти показват отклонения от средната сила на полето над повърхността на Земята.

Биерчук каза, че няма реалистичен начин да се блокират квантови магнитометри или гравиметри от разстояние, освен с енергиен импулс, който би изпържил цялата електроника на самолета и би причинил катастрофата му. Той каза, че Q-CTRL е подложила сензорите на разклащане и динамични маневри с добри резултати – включително повече от 140 часа непрекъсната работа на австралийския кораб.

В Грифит, инженерите на Q-CTRL тестваха три магнитометъра на различни места в самолета, като се има предвид, че външните смущения на всяко място са различни.

Устройствата бяха тествани спрямо висококачествена инерционна навигационна система, която оценява позицията с помощта на жироскопи и акселерометри. Тези системи вече се използват като резервни GPS системи и на подводници, които нямат достъп до GPS, когато са под вода. Но неточностите се натрупват при дълги разстояния.

И трите локации са се представили сравнимо добре, каза Биерчук. В рамките на 80-километров тестов прозорец, сензор на върха на крилото на самолета е довел до средна оценка на позицията в рамките на около 620 фута от истинската позиция, а границата на грешка не се е увеличила с продължителността на полета, каза той. Производителността е била повече от 10 пъти по-добра от тази на инерционната навигационна система.

GPS все още е много прецизен, когато е наличен.

Според едно проучване смартфоните с GPS обикновено са с точност до 16 фута (приблизително 5 метра) под открито небе.

Съществуват предизвикателства с магнитометричния подход. Едното е необходимостта от подробни магнитни карти, които не винаги са налични или актуални. Друго е устройството да бъде достатъчно евтино за евтини дронове, като тези, които трансформираха военната стратегия в Украйна.

„Quantum предлага голям потенциал“, каза Алисън Кийли, професор в Технологичния университет Суинбърн в Мелбърн, Австралия, специализирана в позиционирането и навигацията. Тя обаче отбеляза, че „мисля, че те са като всеки друг сензор. Те имат своите силни и слаби страни“.

Други проучват различни техники. Advanced Navigation, австралийска компания, която произвежда инерционни навигационни системи, се готви да пусне сензор, който измерва скоростта на самолета в три измерения, като изстрелва лазери към земята. Това работи в тандем с инерционни навигационни системи, за да подобри точността на по-дълги разстояния.