Наука про пошук орієнтира: коротка історія виникнення навігації. Частина 2

Початок XX століття ознаменувався надзвичайно активним розвитком фізики електромагнетизму. Разом із відкриттям радіохвиль з’являлися і концепції перших радарів — пристроїв, що дозволяють відстежувати становище об’єкта в реальному часі за допомогою прийому відображених від нього електромагнітних хвиль. Трохи пізніше, у другій половині ХХ століття, старт космічної ери дав розвиток ідеям щодо створення систем глобальної супутникової навігації.

Але це був лише проміжний етап еволюції навігаційних систем. Сучасні експерименти в області субатомних частинок обіцяють додати до технологій орієнтування ще досі небачений рівень точності та прогнозованості.

Винахід гірокомпаса

До початку XX століття морський хронометр все ще залишався найточнішим засобом навігації на флоті. 1908 року була запатентована інноваційна технологія німецького інженера-винахідника Германа Аншютца-Кемпфе — гірокомпас. Трохи пізніше, 1911 року, ідею корабельного гірокомпаса Аншютц-Кемпфа реалізував Елмер Амброуз Сперрі.

Це був пристрій з рухомими сферичними вісями. Всередині він заповнювався рідиною, в якій розміщувався рухомий плаваючий гіроскоп. У основі функціонування гірокомпаса лежав принцип зміщення його центра тяжіння щодо чотирьох сторін світу. При визначенні правильного напрямку шляху гіроскоп фіксувався нерухомо, а курс корабля розраховувався згідно з наявними табличними значеннями.

Корабельний гірокомпас забезпечувався і компенсатором девіації — магнітної похибки, внаслідок якої значення магнітної півночі не збігалося зі значенням реальної, географічної півночі. Ця проблема вирішувалася за допомогою коригування показників широти та довготи, на яких у даний момент часу перебувало судно.

Радіохвилі, що змінили уявлення про навігацію

Відкриття властивостей радіохвиль у 1895 році змусило фізиків замислитися про можливість їхнього використання у динамічній навігації.

Одним із таких фізиків був британець шотландського походження — Роберт Ватсон-Ватт. 1935 року він представив світові свою першу практичну радарну систему, що працювала за принципом відправлення та прийому відображених радіохвиль. Система була здатна не лише виявляти присутність об’єкта в області, що досліджувалась, але й надавала дані щодо відстані до нього, його розмірів, а також допомагала визначити його швидкість і вектор просторового напрямку.

Наступним кроком у розвитку радарних систем стала Loran (Long Range Navigation), спроєктована у США в період з 1940 по 1943 рік. Loran — це гіперболічна навігаційна система. В основі її роботи — принцип дії двох радарних станцій: станції прийому та станції передачі. Імпульсний сигнал (від провідної та веденої станцій) надходив на приймач, розташований на борту корабля. Після цього на електронно-променеву трубку (ЕЛТ) інформаційного дисплея виводилася різниця у затримці двох сигналів. Індикація світлових імпульсів на поверхні ЕЛТ-дисплея дозволяла зрозуміти дистанцію до об’єкта та визначити його розміри і вектор руху. Рівень похибки Loran коливався від 100 м до 1 км.

Ця навігаційна система успішно застосовувалася у другій половині ХХ століття на судах та підводних човнах, але мала дуже обмежену зону покриття, що зі свого боку впливало на швидкодію у момент пошуку цілі. Loran перестали використовувати ближче до кінця століття, коли набули широкого поширення глобальні системи супутникової навігації.

Супутникова навігація: GPS і ГЛОНАСС

Активний розвиток космосу у ХХ столітті відіграв ключову роль у побудові глобальних навігаційних систем позиціонування. Розуміння основ ефекту Допплера допомогло вченим визначати вектор напряму руху об’єкта щодо спостерігача. Саме цей принцип ліг в основу побудови супутникових систем навігації.

1973 року значного поширення набула GPS (Global Positioning System) — система позиціонування, що використовує сузір’я супутників як детектори для визначення розташування об’єктів у просторі. GPS запрацювала 1978 року, коли на орбіту було запущено перше угруповання супутників, що складалося з 11 космічних апаратів.

Сигнал з них надходив на приймальні станції, розташовані на Землі, і в режимі реального часу давав повну навігаційну картину щодо об’єктів, підключених до системи. GPS, як і Loran, функціонує за принципом часової різниці між сигналами, що надходять на приймальну станцію з різних супутників, синхронізованих між собою у часі.

Чим більше супутників задіяно у цьому процесі, тим точніше працює система глобального позиціонування. Наразі сузір’я GPS складається з 24 супутників, що забезпечує похибку позиціонування в межах 10 м.

Варто зауважити, що GPS — лише одна з існуючих систем супутникової навігації. На сьогодні схожі за функціоналом системи глобальної навігації мають такі країни, як Росія (ГЛОНАСС), Китай (BeiDou) та ЄС (Galileo).

З активним використанням смартфонів зросло і повсюдне використання глобальних супутникових навігаційних систем. Сучасні смартфони можуть працювати одразу з кількома із них, що дозволяє їхнім користувачам вільно подорожувати у всьому світі. Нині більшість систем супутникового позиціонування перейшли із державної сфери експлуатації у приватний сектор, що позитивно вплинуло на їхній розвиток.

Квантова акселерометрія та можливе майбутнє систем орієнтування

В основі інноваційної технології орієнтування за квантовими гіроскопами та акселерометрами лежить процес атомарної інтерферометрії. Це явище досягається шляхом охолодження атомів речовини до стану, який трохи перевищує стан абсолютного нуля температури (мінімальної температурної межі, яку може мати фізичне тіло у Всесвіті).Якщо впливати на ультраохолоджені атоми пучками фотонів (світлом лазера), вони зможуть досягти стану суперпозиції — особливої властивості частинок, за якої вони набувають відразу двох просторових координат: рухомої та статичної (набуваючи властивостей хвильової функції, при цьому залишаючись у стані частинки).

В інженерному сенсі це означає потенційну можливість створення автономної системи навігації, яка миттєво отримуватиме інформацію щодо зміни положення об’єкта (або масиву об’єктів) у просторі. Тобто топографічний стан ландшафту буде в повному розумінні цього слова динамічним і відображатиме всю PTN-картину (Position, Timing & Navigation) об’єктів, які перебувають у зоні покриття, в режимі реального часу.

Потенційно, ця технологія може стати альтернативою GPS, оскільки позбавлена її головного мінуса — затримки сигналу через час, за який він відображається з орбіти на Землю.

Сьогодні експерименти у галузі систем квантової навігації проводяться переважно у Національній лабораторії Сандії (Sandia National Laboratories, SNL). Створений командою вчених квантовий сенсор устиг пройти випробування часом (прилад безперебійно функціонує вже понад півтора роки) та показує дивовижні результати в галузі прогнозування топології ландшафту та навігації об’єктів у ньому. Передбачається, що цю технологію можна буде використовувати в системах навігації дронів, а також в областях, де втрата GPS-сигналу загрожуватиме критичними наслідками (авіація та судноплавство).

Свій прототип квантового акселерометра вдалося створити і групі вчених з Імператорського коледжу в Лондоні. Англійці розмірковують і про можливості гравітаційного мапінгу, в якому за схожим принципом квантової інтерферометрії буде скануватися ґрунт Землі, а потім здійснюватиметься пошук мінералів та інших корисних копалин за допомогою створення інтерактивних 3D-карт покладів ресурсів.

Whatever new navigation solutions appear in the future, the analog and manual methods of orientation and navigation which humanity relied on for millennia have been left decidedly in the past. Global satellite navigation systems operate on every smartphone, show us how to get where we’re going autonomously, and do not require users to understand anything about the technologies involved in the process. Quantum mapping technologies promise to bring even more confusion, at the same time, revolutionizing the accuracy of navigation systems.