Федеральная комиссия по связи (FCC) США планирует проголосовать по вопросу изучения альтернатив GPS, сообщил председатель ведомства Брендан Карр (Brendan Carr). Чрезмерная зависимость от этой технологии создаёт угрозу для страны, считает чиновник.

Источник изображения: Ravi Palwe / unsplash.com

Система глобального позиционирования (GPS) хотя и является «незаменимой», но и «непогрешимой» её назвать нельзя, а «сбои в работе GPS способны подорвать экономическую и национальную безопасность страны». Чтобы устранить эту угрозу, «необходимо разработать избыточные технологии». Поэтому в FCC выносится на голосование вопрос об «изучении других систем позиционирования, навигации и синхронизации» — систем, которые смогут выступить «дополнениями или альтернативами» GPS.

Господин Карр также рассказал о намерении модернизировать технологическую платформу службы экстренной помощи «911». На голосование в FCC два вопроса: новые стандарты «для обеспечения отказоустойчивости, надёжности, взаимодействия и доступности» службы «911» нового поколения (NG911); а также новые стандарты определения местоположения пострадавших — сотрудники экстренных служб должны иметь возможность с большей точностью находить их на определённых этажах зданий.

2 марта 2025 года модуль Blue Ghost компании Firefly Aerospace совершил историческую посадку на Луну, став первым частным спускаемым аппаратом, выполнившим по-настоящему мягкий спуск на поверхность спутника. Но ещё задолго до спуска модуль впервые в истории начал принимать сигналы околоземной спутниковой системы навигации GPS, чем также продолжил заниматься после посадки. Это пригодится в будущих миссиях и упростит навигацию на Луне и рядом с ней.

Рассвет на Луне. Источник изображения: Firefly Aerospace

Среди приборов NASA на борту модуля Blue Ghost имеется приёмник LuGRE, созданный агентством вместе с итальянскими коллегами. Это модифицированный приёмник сигналов спутниковой навигационной сети GPS и Galileo. На Земле сегодня найдётся мало людей, которые бы не пользовались этими или другими службами спутниковой навигации. Но для Луны это первый опыт.

Модуль LuGRE начал принимать сигналы земной спутниковой навигации ещё до подлёта к Луне, установив два мировых рекорда по дальности работы систем GPS и Galileo: сначала на удалении 337 479 км (21 января), а затем на удалении 391 000 км (20 февраля). После посадки модуль также совершил привязку к системам GPS и Galileo, впервые испытав спутниковую навигацию непосредственно на поверхности Луны. Все эти данные NASA впоследствии проанализирует, чтобы понять, насколько эти земные системы навигации могут быть адаптированы к использованию в окололунном пространстве и на поверхности спутника.

Источник изображения: NASA

Если системы GPS или Galileo будут корректно работать в условиях Луны, то это позволит автоматизировать навигацию окололунных и лунных аппаратов. Сегодня за каждым из них следят целые команды операторов с использованием специализированных систем наблюдения. Переложив задачи навигации на плечи автоматики, можно сильно упростить управление лунными миссиями.

Космическая погода и состояние ионосферы Земли вносят ошибки в работу систем глобального позиционирования. Для их коррекции наземная сеть станций несколько раз в сутки создаёт карту поправок для работы спутниковых систем GPS. Карта не всегда успевает за динамикой изменений космической погоды, что может иметь последствия, например, для работы систем автопилота.

Оранжевым показана работа специальных станций, синим — смартфонов. Источник изображения: Nature 2024

Ионосфера нашей планеты начинается примерно с 50 км над уровнем моря и простирается до 1500 км. Она состоит из слабо заряженных (ионизированных) частиц, находящихся в магнитном поле планеты. В зависимости от активности Солнца объём ионизированной плазмы может увеличиваться или уменьшаться, причём эта неоднородность отличается от одной местности к другой и изменяется в реальном времени. Таким образом, динамика ионосферы постоянно вносит погрешности в данные GPS, что сказывается на точности определения координат приёмниками, например, смартфонами.

Регулярно обновляемые карты позволяют частично корректировать эти погрешности, как это делает алгоритм в смартфоне. Однако полностью устранить ошибки невозможно, так как специализированные станции не следят за ионосферой постоянно и расположены далеко не повсеместно. Учёные из Университета штата Колорадо в Боулдере (CU Boulder) совместно со специалистами Google придумали использовать для наблюдения за ионосферой миллионы обычных смартфонов. По точности сбора данных они уступают дорогостоящему научному оборудованию, но компенсируют это числом и покрытием. Подключив к программе 40 миллионов смартфонов по всему миру, исследователи смогли следить за ионосферой планеты с небывалой ранее точностью и в режиме реального времени.

Специальные станции глобального позиционирования охватывают лишь 14 % ионосферы. Использование смартфонов на добровольной и анонимной основе позволило увеличить этот показатель до 21 %. Исследователи смогли наблюдать явления в ионосфере, которые ранее не были видны в таком масштабе: движение ионосферных «пузырей» вверх и вниз, подобно воску в лавовой лампе, прогиб ионосферы над Европой и её возмущения над Северной Америкой. Учёные уверены, что перспективы такого подхода к наблюдению за ионосферой огромны, и он поможет значительно повысить точность работы систем глобального позиционирования.

Работа смартфонов в этой программе заключается в регистрации уровня замедления сигнала на приёмнике глобального позиционирования. Это достигается благодаря использованию штатного двухдиапазонного приёмника. На более длинных волнах сигнал замедляется сильнее, чем на коротких. Разница в измерениях позволяет определить плотность ионосферы на линии связи со спутниками. Учёные считают это колоссальным и пока недостаточно используемым инструментом для изучения ионосферы нашей планеты.

В ряде случаев системы навигации GPS использовать нельзя или невозможно. Они могут быть скомпрометированы или заблокированы по разным причинам, а также остаются фактором риска в работе автопилотов. Параллельная система навигации без GPS могла бы решить проблему, но пока такие системы размером с комнату. Учёные из США обещают преодолеть эти ограничения и создать доступный миниатюрный «квантовый» компас уже в ближайшее время.

Источник изображения: www.techspot.com

Квантовая навигация строится на так называемой атомной интерферометрии. Частицы ведут себя также как волны, а волны одной и той же частицы могут накладываться друг на друга и отличаться по фазе. Сдвиг по фазе и эффекты интерференции волн измеряются лазером. На атомы действуют силы, например, гравитация, или они ощущают ускорение или торможение, угловой момент и прочее, что измеряется с атомарной точностью — те самые сдвиги фаз и интерференция. Перенос этих данных в наш мир позволяет соотнести измерения со всеми нюансами движения навигационного прибора на транспортном средстве. Это обеспечивает настолько высокую точность навигации, что она может превосходить возможности GPS.

Для точной навигации без GPS необходимы шесть атомных интерферометров, что определяет конечные — немаленькие — размеры платформы. Учёные их Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Labs) смогли удивить, разработав сверхкомпактные оптические чипы для привода в действие квантовых систем навигации. Громадные лазерные установки они заменили крошечными фотонными интегральными схемами.

«Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения ускорения и угловой скорости, обеспечивая точную навигацию даже в районах, где GPS недоступен», — утверждают разработчики.

Ключевым элементом для датчиков нового поколения стал модулятор, способный управлять и комбинировать лучи с несколькими длинами волн, получаемыми из одного источника. Тем самым отпадает необходимость в объединении отдельных лазеров (читай — умножать габариты), ведь всю работу может выполнить один лазер, используя для этого схему модулятора.

Помимо намного большей компактности, такие чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Подобная надёжность позволит использовать квантовые датчики в самых сложных условиях эксплуатации, которые могут вывести из строя современные модели. Фактор стоимости также на повестке дня. Один современный лазерный модулятор легко преодолевает барьер в $10 тыс. Перевод производства на кремниевые пластины с сотнями и более чипов на 200- и 300-мм подложках — это залог снижения стоимости решений и повышение степени их доступности.

Предложенные «квантовые» компасы способны выйти далеко за пределы сферы навигации. Квантовые детекторы масс, к примеру, легко справятся с картографированием скрытых под землёй коммуникаций и сооружений. Они могут оказаться востребованы для оптической связи и квантовых вычислений, в дальномерах и прочем.

Как доказали Эйнштейн и последующие наблюдения, время неотделимо от пространства и гравитации. Часы будут «тикать» с разной скоростью на Земле, Луне и в открытом космосе. Чем легче небесное тело, тем быстрее идут на нём атомные часы — инструмент не только для ориентации людей во времени, но также мерило задержки сигнала и опора для ориентации в пространстве. Для космоса нужен свой подход, что стало поводом для создания особого стандарта времени.

Источник изображения: techspot.com

Проблематикой занялся Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Как известно, под руководством NASA разворачиваются этапы программы Artemis по возвращению человека на Луну, включая создание там баз постоянного присутствия. Атомные часы на естественном спутнике Земли каждые сутки убегают вперёд на 56 мкс. «Лунные» часы можно было бы синхронизировать с атомными часами на Земле — технически это легко достижимо. Однако в NIST посчитали такой подход неоправданным. Будет проще ввести лунную зону времени и использовать её для определения времени и работы систем позиционирования на поверхности и орбитах Луны. При подлёте к Луне достаточно будет один раз перевести часы и забыть о проблеме.

Установление единого лунного времени необходимо, прежде всего, для создания лунного GPS. Это позволит совершать высокоточные посадки с погрешностью в несколько метров. Такая возможность будет особенно важна для освоения южного полюса Луны, где очень сложный рельеф, и благодаря ему в вечной темноте кратеров может оставаться водяной лёд.

В перспективе новый космический стандарт времени может быть использован для работ на Марсе и в открытом космосе, а также глубоко в Солнечной системе. Но пока на повестке дня стоит освоение Луны. В ближайшие два десятка лет там станет достаточно оживлённо, особенно на орбите. Единая система отсчёта времени будет нужна там как воздух, чтобы все станции и спутники были на «одной волне» и не рисковали столкнуться.

Великобритания первой в мире провела серию испытательных полётов, в которых протестировали основу для технологий перспективной квантовой навигационной системы. Она поможет предотвратить одну из наиболее потенциально опасных, но недостаточно широко освещаемых угроз — глушение и подмену сигнала GPS.

Источник изображения: twitter.com/QinetiQ

Система глобального позиционирования (GPS) настолько глубоко проникла в жизнь современного человека, что стала восприниматься как нечто само собой разумеющееся, но лишь до тех пор, пока спутниковый сигнал по какой-то причине не теряется или «перепрыгивает» в другую точку. Для обычного человека это неприятно, но с кораблями и самолётами дело обстоит куда более критично, особенно если речь идёт о подмене сигнала. Только в 2022 году зафиксированы 49 605 случаев, когда гражданские самолёты стали жертвами подмены сигнала GPS, гласит статистика Европейской ассоциации бизнес-авиации. Часто это происходит вблизи зон конфликта для неверной навигации вражеских самолётов или БПЛА. Но результат таких действий также может повлиять на работу авиадиспетчеров, которые полагаются на данные, поступающие напрямую от приборов на самолётах.

Один из способов борьбы с этим — подключение резервных систем навигации, например, инерциальных. Это электронный просчёт пути по данным гироскопов и акселерометров, который является вполне рабочим методом. Но со временем в таких системах накапливаются ошибки, которые в случае с подводными лодками могут исчисляться милями — поэтому им приходится всплывать и сверяться с координатами по GPS. Самолёты движутся намного быстрее, и ошибки в их системах также накапливаются быстрее. Для решения этой проблемы британские компании Infleqtion, BAE Systems и QinetiQ, а также агентство по науке и инновациям UKRI решили создать собственную навигационную систему на основе квантовой механики.

Квантовые навигационные системы получают данные, используя такие явления как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния. В сочетании с высокоточными атомными часами и специальным программным анализом для фильтрации помех они способны заменять GPS в течение длительного времени. Недавно на объекте британского Министерства обороны в графстве Уилтшир прошли испытания квантовой системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) на основе компактных оптических атомных часов Tiqker и установкой на основе ультрахолодных атомов — они работали на самолёте QinetiQ RJ100. Как ожидается, PNT впоследствии будет интегрирована в полномасштабную квантовую инерциальную навигационную систему (Q-INS).

Компании «Яндекс» удалось улучшить определение геопозиции в своих сервисах «Яндекс-Карты» и «Навигатор» за счёт использования Wi-Fi и Bluetooth без применения GPS. Представители пресс-службы «Яндекса» сообщили, что включение беспроводных модулей повысит точность навигации и уменьшит влияние сбоев спутниковой навигации. Приложения «Яндекса» требуется обновить до последних версий. Приложение для водителей такси также обновилось, сообщили в «Яндексе».

Источник изображения: «Яндекс»

Разработчики «Яндекса» работают над улучшением определения местоположения. Мнения о применяемых ими методах разделились. Некоторые пользователи предполагают, что сервисы определения местоположения «Яндекса» измеряют силу сигнала от близлежащих точек Wi-Fi, Bluetooth и сотовых вышек для уточнения местоположения смартфона.

Другие утверждают, что нет смысла определять силу сигнала, она слишком сильно зависит от препятствий и может вносить непредвиденные искажения. Скорее всего, «Яндекс» вычисляет или корректирует данные о местоположении, основываясь на сопоставлении известных «Яндексу» точек доступа с их местоположением. В этом очень большую помощь могут оказывать устройства с голосовым помощником «Алисой», точные координаты всех таких устройств, скорее всего, имеются в базах данных компании.

Улучшение геолокации «Яндекса» особенно актуально для жителей Москвы. Там с 4 мая наблюдаются перебои в работе спутниковой навигации, что создаёт проблемы не только у водителей личного транспорта, но и у служб такси, каршеринга и кикшеринга.

Одновременно с улучшением геолокации «Яндекс» запустил в тестовом режиме службу роботакси в московском Ясенево. Представители компании утверждают, что беспилотное такси во время движения не использует спутниковые системы навигации и не требует постоянного соединения с интернетом.