«Компас» вместо GPS: американцы испытали революционное решение

Тест ударного беспилотника Lumberjack в калифорнийском учебном центре Форт-Хантер-Лиггетт прошёл без сюрпризов: аппарат несколько раз взлетел, пролетел маршрут и сел. Ничего особенного.

На самом деле полёт продемонстрировал следующий этап навигационных технологий: ударный одноразовый дрон ни разу не обратился за помощью к GPS, ориентируясь по магнитному полю планеты. Примечательно, что украинские разработчики уже два года решают ту же задачу в боевых условиях.

Как это работает: принцип «магнитного отпечатка»

Магнитное поле Земли — поле с локальными искажениями. Различные породы в земной коре намагничены по-разному, поэтому каждый участок местности имеет собственный неповторимый «магнитный рельеф», похожий на отпечаток пальца.

«Компас» вместо GPS: американцы испытали революционное решение

Если этот рельеф заранее измерить и составить из него карту, то в дальнейшем достаточно сравнивать текущие показатели с дрона с этой картой — и аппарат «знает», где он находится, без какого-либо внешнего сигнала.

Цикл работы системы выглядит так:

Сверхчувствительный магнитометр на борту непрерывно измеряет напряжённость магнитного поля под аппаратом.
Алгоритмы фильтрации вычитают лишний «шум» в реальном времени.
Очищенные данные сравниваются с предварительно загруженной цифровой картой магнитных аномалий данной местности.
Бортовой компьютер находит на карте участок, чей «магнитный отпечаток» наилучшим образом совпадает с измеренным, и получает координаты аппарата.
Полученная позиция передаётся в систему управления полётом, которая корректирует курс.

Отличие от GPS состоит в том, что нет никакого внешнего сигнала, который можно заглушить или подменить. Дрон ничего не «принимает» из окружающего пространства — он лишь измеряет физическое свойство местности, над которой уже летит. Заглушить магнитное поле Земли невозможно — можно разве что помешать самому измерению на борту. Но это совершенно иной уровень вмешательства, значительно более сложный, чем глушение GPS.

Поэтому магнитную навигацию редко преподносят как самостоятельную замену GPS. На схеме видно, что она сразу предусматривает «резервный контур» через инерциальную и визуальную навигацию на случай, если совпадение с картой слабое: например, над однообразной равниной или на большой высоте.

Northrop Grumman и SandboxAQ: что показали американские разработчики

По официальным данным, система AQNav от SandboxAQ в ходе теста продолжала работать даже под воздействием преднамеренного глушения и сохраняла навигацию аппарата в условиях отсутствия спутникового сигнала, в том числе над открытым водоёмом.

Испытание подтвердило, что Lumberjack способен выполнять несколько циклов взлёта, полёта и посадки подряд. То есть платформу потенциально можно использовать не только для одноразовых ударов, но и для разведки и обучения.

Известно, что инженеры установили программное обеспечение AQNav на уже имеющуюся бортовую электронику менее чем за час, без дополнительного специализированного оборудования. Генеральный менеджер направления навигации SandboxAQ Лука Феррара отметил, что лёгкость интеграции позволила атритабельной платформе получить навигацию по магнитному полю без переработки аппаратной части.

По словам программного менеджера Lumberjack в Northrop Grumman Макса Шустера, проект прошёл путь от замысла до рабочего полёта в сжатые сроки благодаря объединению готовых технологий различных компаний.

По данным издания TechTimes, глобальная модель геомагнитных аномалий EMAG2v3 — основной публичный референсный набор данных — имеет неравномерную детализацию: сетка от 1 до 20 километров в зависимости от региона. Это означает, что над геологически «богатыми» участками точность навигации будет выше, а над равнинами или участками океана — хуже.

Ни SandboxAQ, ни Northrop Grumman не раскрыли конкретную географию теста и достигнутую точность позиционирования. Известно лишь то, что система соответствует военному стандарту допустимой погрешности (Required Navigation Performance). По этому показателю она превзошла традиционные инерциальные системы, которые постепенно накапливают погрешность без внешней коррекции.

Технология участвует в программе Пентагона Transition of Quantum Sensing Министерства обороны США, которая оценивает магнитные навигационные системы для военных автономных аппаратов. Суммарный налёт AQNav на момент теста с Lumberjack превысил 450 часов на четырёх типах воздушных судов, включая полёты совместно с Военно-воздушными силами США на транспортных C-17 Globemaster III и C-130J Super Hercules.

В пресс-релизе SandboxAQ указано: войны на Украине и в странах Персидского залива доказали, что дешёвые расходные дроны теперь регулярно действуют в среде, где GPS либо глушат, либо подменяют фальшивыми координатами. Это официальное обоснование, которое американская компания приводит инвесторам и заказчикам.

Украинский фронт: проблемы те же, времени на разработки мало

Пока американские компании демонстрируют показательные полёты на полигоне, на Украине альтернативная навигация уже несколько лет развивается в нескольких направлениях одновременно.

Наземные радиомаяки вместо спутника

Заместитель главнокомандующего ВСУ Владислав Лебеденко сообщал, что в Сумской и Харьковской областях в пилотном режиме уже развёрнуты специальные навигационные станции — наземные маяки, по сигналам которых ориентируются дроны-перехватчики, малая авиация и другие сенсоры именно в тех зонах, где собственные средства РЭБ подавляют спутниковый сигнал и не дают пользоваться им противнику. По его словам, развёртывание этой сети планируют расширять.

Похожий, но коммерческий вариант разработала украинская компания Vyriy: на дрон устанавливают плату с антенной, а вдоль маршрутов заблаговременно расставляют радиопередатчики-маяки — на земле или на различных объектах, — по сигналам которых аппарат удерживает курс даже при глушении и спутниковой навигации, и радиосвязи с оператором. Разработчики позиционируют это решение как более дешёвую альтернативу дронам на оптоволоконном кабеле.

Магнитная навигация: украинская разработка

Геофизик Николай Орлюк и другие украинские учёные работают над технологией, очень похожей на AQNav по принципу. Однако разработку они ведут на основе цифровых карт геомагнитного поля именно территории Украины.

Дрон оснащают сверхчувствительными магнитометрами, которые во время полёта сравнивают измеренные параметры поля с эталонной цифровой картой в реальном времени. Этот принцип Орлюк сравнивает с работой современных систем визуальной навигации. Главный вызов — собственные магнитные помехи от двигателей и электроники аппарата, которые необходимо отфильтровывать, чтобы получить чистый геомагнитный сигнал.

Визуальная навигация на нейросетях

Одновременно развивается направление, при котором дрон ориентируется визуально — сверяя картинку с камеры с заранее загруженной картой местности с помощью алгоритмов на основе нейросетей.

Супертехнология или вынужденное решение?

Магнитная навигация не может быть универсальной заменой GPS и имеет собственные физические ограничения. На больших высотах магнитное поле становится более «сглаженным», поэтому точность определения позиции падает. Таким образом, технология работает лучше всего на относительно малых высотах и над геологически неоднородной местностью. Кроме того, карты магнитных аномалий необходимо постоянно обновлять, а моторы и электроника аппарата создают магнитные помехи, накладывающиеся на естественный фон Земли. Это, как уже было сказано, приходится компенсировать с помощью алгоритмов фильтрации на основе нейросетей.

Поэтому и в американском, и в украинском случаях речь не идёт о технологии, которая единолично «заменит GPS». Скорее это принцип наслоения различных источников данных друг на друга: спутник (когда доступен), инерциальная система, визуальная навигация, магнитная навигация или наземные маяки — в зависимости от того, какому каналу в конкретный момент можно доверять.

Выход из строя или обман одного из них компенсируют другие. Именно поэтому Lumberjack объединил магнитную навигацию с визуальной, а не полагался лишь на одну систему. Именно поэтому на Украине одновременно развивают и маяковую, и магнитную, и нейросетевую визуальную навигацию.

Чего ожидать в будущем?

Прежде подобные системы устанавливали лишь на дорогие транспортные самолёты стоимостью в десятки миллионов долларов, где лишние несколько килограммов и несколько десятков тысяч долларов затрат некритичны. Для одноразового ударного дрона каждый лишний грамм и доллар себестоимости имеет значение. То, что AQNav удалось свести к лёгкому программному решению на имеющейся электронике без специализированного компьютера, теоретически открывает путь к ещё более дешёвым и массовым боеприпасам.

На Украине денег и времени в разы меньше. На фронте дрон — расходный материал, поэтому нужно несколько тысяч аппаратов в месяц. Поэтому украинские разработчики сосредоточены не на «технологии будущего» (как их американские коллеги), а на создании работающего, недорогого решения, которое можно быстро запустить в серию.

При написании статьи были использованы следующие материалы: