Гравитационная навигация как инструмент будущего
Гравиметрическая карта России и прилегающих территорий в масштабе 1:2 500 000. ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского, 2016 г. / vsegei.com
Существуют и широко используются несколько типов систем навигации, отличающиеся принципами действия и точностью измерений. В будущем в эксплуатацию может поступить принципиально новая система, вычисляющая координаты по особенностям гравитационного поля Земли (ГПЗ). Ожидается, что такой способ определения местоположения будет отличаться особой точностью – и при этом высокой сложностью.
Перспективное направление
Наличие развитой космической группировки и совершенствование всех основных технологий открывает перед мировой наукой новые возможности. В частности, наличие высокоточных инструментов измерения физических полей планеты и объектов на ее поверхности позволяет составлять подробные модели разного рода, пригодные для применения в разных сферах.
На протяжении нескольких последних лет в нашей стране и за рубежом ведутся исследования в направлении т.н. гравитационных навигационных систем. Выполняются необходимые работы и собираются новые данные, перерабатываемые для дальнейшего использования. Уже определены основные принципы работы новой навигационной системы, и продолжается процесс ее создания.
В России работы в этом направлении ведет несколько организаций. В частности, Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) из состава Росстандарта занимается созданием техники для сбора данных и обработкой поступающей информации о ГПЗ с целью создания новых средств навигации.
Принципы работы спутниковой системы ГЛОНАСС. Комплекс критически зависит от радиосвязи, что приводит к рискам. Графика ИАЦ КВНО / glonass-iac.ru
Последние сообщения на тему гравитационной навигации появились на днях. Еженедельник «Звезда» со ссылкой на руководство Росстандарта писал о продолжении работ по перспективному проекту и получении новых результатов. Также напомнили о преимуществах новых технологий и сферах их применения.
Измерение и вычисление
В основе концепции гравитационной навигации лежит тот факт, что параметры ГПЗ в разных точках поверхности планеты (или над ней) незначительно отличаются. Земля не является идеальным шаром или эллипсоидом; ее поверхность имеет сложнейший рельеф, а толща земной коры сложена из разных материалов. Все это влияет на параметры гравитации на поверхности и вблизи нее. Нередко фактические значения отличаются от расчетных для данной точки, что называется гравитационной аномалией. Кроме того, из-за ряда факторов в разных точках наблюдается отличающаяся центробежная сила.
Концепция предусматривает измерение параметров ГПЗ и центробежной силы в разных точках с дальнейшей обработкой. Получившаяся гравиметрическая карта может вводиться в память навигационной аппаратуры и использоваться в вычислениях. На основе данных о ГПЗ возможна коррекция работы инерциальных или спутниковых навигационных систем. При этом общая погрешность всего комплекса сокращается до сантиметров. Кроме того, ИНС с коррекцией по данным о ГПЗ отличается высочайшей помехоустойчивостью.
Наблюдения показывают, что ГПЗ является достаточно надежным «эталоном» для навигационных систем. Скорость изменения гравитационного поля значительно ниже, чем у магнитного, и данные о ГПЗ могут использоваться в течение десятков лет без заметной потери точности вычислений. Впрочем, землетрясения и иные процессы могут изменять состояние ГПЗ и требовать обновления карт.
Практические меры
Согласно сообщениям последних лет, российские ученые – как и их зарубежные коллеги – уже не первый год занимаются сбором данных, поиском гравитационных аномалий и составлением гравиметрических карт. Специальная аппаратура на борту летательных аппаратов и спутников измеряет значения полей в огромном числе точек и передает их наземным вычислительным центрам. Итогом такой работы становится карта, способная обеспечить высокую точность навигации.
КА системы ГЛОНАСС разных модификаций. Графика ИАЦ КВНО / glonass-iac.ru
Также осуществляется разработка навигационного оборудования, способного использовать новые карты и взаимодействовать с другой аппаратурой. Однако, насколько известно, такие проекты еще не привели к появлению изделий, пригодных к реальной эксплуатации.
Внедрению новых принципов навигации пока может помешать отсутствие точных карт значительной части земной поверхности. Фактически на данный момент навигация по ГПЗ на практике не дает особых преимуществ перед ИНС или спутниковыми системами. Ситуация может измениться лишь в будущем, когда будут выполнены все необходимые исследования и проектные работы.
Сферы применения
Новые принципы навигации могут найти применение в разных сферах, где требуется особо точное определение координат, независимость от внешних источников сигнала и другие специфические особенности. Прежде всего, это военное дело. Появление пригодных к эксплуатации гравитационных систем навигации позволит повысить боеспособность широкого круга образцов техники и вооружений.
Военным может быть интересна как повышенная точность вычисления координат, так и уникальная помехозащищенность. По сути, единственным способом воздействия на такие системы является искусственное изменение ГПЗ – что требует колоссальных усилий или вовсе невозможно.
Высокоточная управляемая ракета, используя гравиметрическую карту, сможет более точно следовать по заданному маршруту и поразить цель с известными координатами с меньшим отклонением. Такие принципы могут использоваться как крылатыми, так и баллистическими ракетами. Впрочем, для такой операции потребуется точная и актуальная карта ГПЗ на маршруте, что предъявляет особые требования к разведке и организации удара.
Гравитационные аномалии на поверхности Земли по данным миссии NASA GRACE. Графика NASA / earthobservatory.nasa.gov
Новые принципы навигации представляют большой интерес для науки. С их помощью можно осуществлять более точную привязку, что полезно при различных исследованиях в ряде областей. Точность сбора данных повышается, и это сможет стать основой для новых важных открытий.
Не следует забывать и про гражданский и коммерческий транспорт. В нормальной обстановке кораблям или самолетам достаточно имеющихся средств навигации, но в некоторых ситуациях могут требоваться более точные системы. Вполне возможно, что появление полноценных работоспособных средств навигации по ГПЗ заинтересует авиа- и судостроителей, а также коммерческих перевозчиков.
В ожидании успеха
Согласно последним сообщениям, ВНИИФТРИ сейчас занят составлением точных гравиметрических карт разных районов, пригодных для дальнейшего использования на практике. Данные о параметрах ГПЗ и наблюдаемых силах обрабатываются и переводятся в удобную для использования форму. Также ведется разработка навигационной аппаратуры для внедрения на практике.
Обе эти составляющие нового направления отличаются высокой сложностью, продолжительностью и трудозатратами. К сожалению, даже примерные сроки внедрения новых технологий на практике остаются неизвестными. Кроме того, неясны фактические перспективы таких разработок с точки зрения применения в разных сферах. Тем не менее, работы ведутся, и в будущем следует ожидать реальные результаты. Если новые технологии дойдут до применения и оправдают ожидания, в ряде сфер произойдет коренной перелом.
Информация