Квантовий датчик замінив GPS на кораблі — він визначає координати за гравітаційними аномаліями

В останні роки глобальні супутникові навігаційні системи неодноразово демонстрували свою вразливість перед глушінням і підміною сигналів, що змушує шукати альтернативні способи визначення координат. Одним з таких орієнтирів може слугувати сама Земля: підводні гори, океанічні впадини та неоднорідності земної кори створюють невеликі, але стійкі зміни її гравітаційного поля. Австралійські фахівці Q-CTRL навчилися використовувати ці аномалії для навігації, покликавши на допомогу квантову механіку.

Джерело зображення: Q-CTRL

Підводні гори, океанічні впадини, континентальний шельф та неоднорідності щільності земної кори трохи змінюють величину прискорення вільного падіння, створюючи характерний просторовий «рельєф» гравітаційного поля. Порівнюючи послідовність вимірювань з заздалегідь складеною картою гравітаційних аномалій, навігаційна система може визначити місцезнаходження судна та коригувати неминуче накопичувальну похибку інерційної навігації.

Про розробку в свіжій статті на arXiv.org повідомила австралійська компанія Q-CTRL. За її словами, вона вперше продемонструвала навігацію морського судна без використання супутникових сигналів, визначаючи координати за неоднорідностями гравітаційного поля Землі. Новий метод отримав назву GravNav і розвиває ідею раніше створеної Q-CTRL системи MagNav, яка аналогічним чином орієнтується за особливостями магнітного поля. Для морської навігації гравітаційний варіант особливо зручний завдяки наявності досить детальних карт гравітаційних аномалій океанів.

Випробування пройшли в Кораловому морі на 29-метровому судні. Встановлений прямо в пасажирській каюті квантовий гравіметр безперервно вимірював локальне прискорення вільного падіння, а навігаційна система порівнювала отримуваний профіль з картою гравітаційних аномалій. На маршруті довжиною 83 км вдалося утримати похибку позиціонування приблизно на рівні однієї морської милі (1,85 км). За даними Q-CTRL, це більш ніж у десять разів краще показників навігаційних систем резервного класу, що використовуються за відсутності GNSS.

В основі створеної Q-CTRL технології лежить квантовий датчик, в якому чутливим елементом слугують атоми. У гравіметрі використовується хмара атомів рубідію-87, взаємодією з якими керують за допомогою лазерних імпульсів. Під дією гравітації атоми перебувають у вільному падінні, а виникаючий при цьому фазовий зсув дозволяє надзвичайно точно вимірювати локальне прискорення вільного падіння. Отримані значення потім порівнюються з картою гравітаційних аномалій, допомагаючи коригувати координати, розраховані інерційною навігаційною системою.

Головна проблема для такого чутливого квантового приладу на борту судна — постійні вібрації, качка та прискорення. Для компенсації цих перешкод квантовий датчик об'єднали з звичайним акселерометром, а окремо система використовувала навігаційний інерційний вимірювальний блок. Класичні датчики добре відстежують швидкі переміщення, тоді як атомний сенсор забезпечує стабільне опорне значення в довгостроковій перспективі: у 56-годинному стаціонарному випробуванні прив'язка до атомного датчика зменшила довгостроковий дрейф приблизно в 70 разів у порівнянні з використанням лише класичного каналу.

Що також важливо, обладнання успішно працювало в звичайній пасажирській каюті без спеціальної температурної стабілізації, гіроскопічної платформи та періодичної калібровки. Іншими словами, експеримент показав, що квантовий гравіметр здатний працювати не лише в лабораторії, але й на борту рухомого судна в реальних морських умовах. Під час окремих випробувань система зберігала працездатність при хвилюванні моря до чотирьох балів.

Раніше Q-CTRL вже випробовувала свою квантову навігаційну платформу на літаках і наземному транспорті, але там використовувалася система MagNav, що орієнтується за магнітним полем Землі. У 2025 році вона, за даними компанії, перевершувала висококласні традиційні альтернативи GPS за точністю до 100 разів. Розробками Q-CTRL вже зацікавилися військові: компанія співпрацює з DARPA, підрозділом Defense Innovation Unit Міноборони США, Міністерством оборони Австралії, Королівським військово-морським флотом Великобританії та іншими партнерами AUKUS.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки