Тест ударного безпілотника Lumberjack у каліфорнійському навчальному центрі Форт-Хантер-Ліггетт відбувся без сюрпризів: апарат кілька разів злетів, пролетів маршрут і сів. Нічого особливого.

Насправді ж політ продемонстрував наступний етап навігаційних технологій: ударний одноразовий дрон жодного разу не звернувся по допомогу до GPS, орієнтуючись за магнітним полем планети. Цікаво, що українські розробники вже два роки вирішують ту саму задачу в бойових умовах.

Як це працює: принцип «магнітного відбитка»

Магнітне поле Землі — поле з локальними спотвореннями. Різні породи в земній корі по-різному намагнічені, тож кожна ділянка місцевості має власний неповторний «магнітний рельєф», схожий на відбиток пальця.

«Компас» замість GPS: американці випробували революційне рішення 

Якщо цей рельєф заздалегідь виміряти й скласти з нього карту, то надалі досить порівнювати поточні показники з дрона з цією картою — і апарат «знає», де він перебуває, без жодного сигналу ззовні.

Цикл роботи системи виглядає так:

  1. Надчутливий магнітометр на борту безперервно вимірює напруженість магнітного поля під апаратом.
  2. Алгоритми фільтрації віднімають зайвий «шум» у реальному часі.
  3. Очищені дані порівнюються з попередньо завантаженою цифровою картою магнітних аномалій даної місцевості.
  4. Бортовий комп’ютер знаходить на карті ділянку, чий «магнітний відбиток» найкраще збігається з виміряним, і отримує координати апарата.
  5. Отримана позиція передається в систему керування польотом, яка коригує курс.

Відмінність від GPS у тому, що немає жодного зовнішнього сигналу, який можна заглушити чи підмінити. Дрон нічого не «приймає» з навколишнього простору, він лише вимірює фізичну властивість місцевості, над якою вже летить. Заглушити магнітне поле Землі неможливо — можна хіба що завадити самому вимірюванню на борту. Але це зовсім інший рівень втручання, значно складніший за глушіння GPS.

«Компас» замість GPS: американці випробували революційне рішення 

Тому магнітну навігацію рідко подають як самостійну заміну GPS. На схемі видно, що вона одразу передбачає «запасний контур» через інерціальну та візуальну навігацію на випадок, якщо збіг з картою слабкий: наприклад, над одноманітною рівниною чи на великій висоті.

Northrop Grumman і SandboxAQ: що показали американські розробники

За офіційними даними, система AQNav від SandboxAQ протягом тесту продовжувала працювати навіть під впливом навмисного глушіння і зберігала навігацію апарата в умовах відсутності супутникового сигналу: в тому числі над відкритим водоймищем.

Випробування підтвердило, що Lumberjack здатен виконувати кілька циклів зльоту, польоту й посадки поспіль. Тобто платформу потенційно можна використовувати не лише для одноразових ударів, але й для розвідки та навчання.

Відомо, що інженери встановили програмне забезпечення AQNav на вже наявну бортову електроніку менш ніж за годину, без додаткового спеціалізованого обладнання. Генеральний менеджер напрямку навігації SandboxAQ Лука Феррара зазначив, що легкість інтеграції дала атритабельній платформі можливість отримати навігацію за магнітним полем без переробки апаратної частини.

«Компас» замість GPS: американці випробували революційне рішення 

За словами програмного менеджера Lumberjack у Northrop Grumman Макса Шустера, проєкт пройшов шлях від задуму до робочого польоту у стислі терміни завдяки об’єднанню готових технологій різних компаній.

За даними видання TechTimes, глобальна модель геомагнітних аномалій EMAG2v3 — основний публічний референсний набір даних — має нерівномірну деталізацію: сітка від 1 до 20 кілометрів залежно від регіону. Це означає, що над геологічно «багатими» ділянками точність навігації буде вищою, а над рівнинами чи ділянками океану — гіршою.

Ані SandboxAQ, ані Northrop Grumman не розкрили конкретну географію тесту та досягнуту точність позиціонування. Відомо лише те, що система відповідає військовому стандарту допустимої похибки (Required Navigation Performance). За цим показником вона перевершила традиційні інерціальні системи, які поступово накопичують похибку без зовнішньої корекції.

Технологія бере участь у програмі Пентагону Transition of Quantum Sensing Міністерства оборони США, яка оцінює магнітні навігаційні системи для військових автономних апаратів. Сумарний наліт AQNav на момент тесту з Lumberjack перевищив 450 годин на чотирьох типах повітряних суден, включно з польотами разом із Повітряними силами США на транспортних C-17 Globemaster III та C-130J Super Hercules.

У прес-релізі SandboxAQ вказано: війни в Україні та в країнах Перської затоки довели, що дешеві витратні дрони тепер регулярно діють у середовищі, де GPS або глушать, або підміняють фальшивими координатами. Це офіційне обґрунтування, яке американська компанія наводить інвесторам і замовникам

Український фронт: проблеми ті ж самі, часу на розробки обмаль

Поки американські компанії демонструють показові польоти на полігоні, в Україні альтернативна навігація вже кілька років розвивається в кількох напрямках одночасно.

Наземні радіомаяки замість супутника

Заступник головнокомандувача ЗСУ Владислав Лебеденко повідомляв, що в Сумській та Харківській областях у пілотному режимі вже розгорнуті спеціальні навігаційні станції — наземні маяки, за сигналами яких орієнтуються дрони-перехоплювачі, мала авіація та інші сенсори саме в тих зонах, де власна РЕБ придушує супутниковий сигнал і не дає ним користуватися противнику. За його словами, розгортання цієї мережі планують розширювати.

Схожий, але комерційний варіант розробила українська компанія Vyriy: на дрон встановлюють плату з антеною, а вздовж маршрутів заздалегідь розставляють радіопередавачі-маяки — на землі або на різних об’єктах, — за сигналами яких апарат утримує курс навіть коли глушать і супутникову навігацію, і радіозв’язок з оператором. Розробники позиціюють це рішення як дешевшу альтернативу дронам на оптоволоконному кабелі.

Магнітна навігація: українська розробка

Геофізик Микола Орлюк та інші українські науковці працюють над технологією, дуже схожою на AQNav за принципом. Проте розробку вони ведуть на основі цифрових карт геомагнітного поля саме території України.

Дрон оснащують надчутливими магнітометрами, які під час польоту порівнюють виміряні параметри поля з еталонною цифровою картою в реальному часі. Цей принцип Орлюк порівнює з роботою сучасних систем візуальної навігації. Головний виклик — власні магнітні перешкоди від двигунів та електроніки апарата, які потрібно відфільтровувати, щоб отримати чистий геомагнітний сигнал.

Візуальна навігація на нейромережах

Одночасно розвивається напрямок, за яким дрон орієнтується візуально — звіряючи картинку з камери із заздалегідь завантаженою мапою місцевості за допомогою алгоритмів на основі нейромереж.

Супертехнологія чи вимушене рішення?

Магнітна навігація не може бути універсальною заміною GPS і має власні фізичні обмеження. На великих висотах магнітне поле стає більш «згладженим», тому точність визначення позиції падає. Тож технологія працює найкраще на відносно малих висотах і над геологічно неоднорідною місцевістю. Крім того, карти магнітних аномалій потрібно постійно оновлювати, а мотори й електроніка апарата створюють магнітні завади, які накладаються на природний фон Землі. Це, як вже було сказано, доводиться компенсувати за допомогою алгоритмів фільтрації на основі нейромереж.

Тому і в американському, і в українському випадках мова не йде про технологію, яка одноосібно «замінить GPS». Скоріше це принцип нашарування різних джерел даних одне на одне: супутник (коли доступний), інерціальна система, візуальна навігація, магнітна навігація або наземні маяки — залежно від того, який канал у конкретний момент можна довіряти.

Вихід з ладу чи обман одного з них компенсують інші. Саме тому Lumberjack поєднав магнітну навігацію з візуальною, а не покладався лише на одну систему. Саме тому в Україні одночасно розвивають і маякову, і магнітну, і нейромережеву візуальну навігацію.

Чого очікувати у майбутньому?

Раніше подібні системи встановлювали лише на дорогі транспортні літаки вартістю в десятки мільйонів доларів, де кілька зайвих кілограмів і кілька десятків тисяч доларів витрат не критичні. Для одноразового ударного дрона кожен зайвий грам і долар собівартості має значення. Те, що AQNav вдалося звести до легкого програмного рішення на наявній електроніці без спеціалізованого комп’ютера, теоретично відкриває шлях до ще дешевших і масовіших боєприпасів.

В Україні в рази менше грошей і часу На фронті дрон — це витратний матеріал, тож потрібно кілька тисяч апаратів на місяць. Тому українські розробники сконцентровані не на «технології майбутнього» (як їх американські колеги), а на створенні працюючого, недорого рішення, яке можна швидко запустити у серію.

Під час написання статті були використані такі матеріали: