Квантовый датчик заменил GPS на корабле — он определяет координаты по гравитационным аномалиям
В последние годы глобальные спутниковые навигационные системы неоднократно демонстрировали свою уязвимость перед глушением и подменой сигналов, что заставляет искать альтернативные способы определения координат. Одним из таких ориентиров может служить сама Земля: подводные горы, океанические впадины и неоднородности земной коры создают небольшие, но устойчивые изменения её гравитационного поля. Австралийские специалисты Q-CTRL научились использовать эти аномалии для навигации, призвав на помощь квантовую механику.
Подводные горы, океанические впадины, континентальный шельф и неоднородности плотности земной коры немного изменяют величину ускорения свободного падения, создавая характерный пространственный «рельеф» гравитационного поля. Сопоставляя последовательность измерений с заранее составленной картой гравитационных аномалий, навигационная система может определить местоположение судна и корректировать неизбежно накапливающуюся погрешность инерциальной навигации.
О разработке в свежей статье на arXiv.org сообщила австралийская компания Q-CTRL. По её словам, она впервые продемонстрировала навигацию морского судна без использования спутниковых сигналов, определяя координаты по неоднородностям гравитационного поля Земли. Новый метод получил название GravNav и развивает идею ранее созданной Q-CTRL системы MagNav, которая аналогичным образом ориентируется по особенностям магнитного поля. Для морской навигации гравитационный вариант особенно удобен благодаря наличию достаточно подробных карт гравитационных аномалий океанов.
Испытания прошли в Коралловом море на 29-метровом судне. Установленный прямо в пассажирской каюте квантовый гравиметр непрерывно измерял локальное ускорение свободного падения, а навигационная система сопоставляла получаемый профиль с картой гравитационных аномалий. На маршруте длиной 83 км, на прохождение которого было затрачено более 6 часов, в течение первых 70 км погрешность позиционирования удалось удержать примерно на уровне одной морской мили (1,85 км). По данным Q-CTRL, это в несколько раз лучше показателей навигационных систем резервного класса, используемых при отсутствии GNSS.
В основе созданной Q-CTRL технологии лежит квантовый датчик, в котором чувствительным элементом служат атомы. В гравиметре используется облако атомов рубидия-87, взаимодействием с которым управляют с помощью лазерных импульсов. Под действием гравитации атомы находятся в свободном падении, а возникающий при этом фазовый сдвиг позволяет чрезвычайно точно измерять локальное ускорение свободного падения. Полученные значения затем сопоставляются с картой гравитационных аномалий, помогая корректировать координаты, рассчитанные инерциальной навигационной системой.
Главная проблема для столь чувствительного квантового прибора на борту судна — постоянные вибрации, качка и ускорения. Для компенсации этих помех квантовый датчик объединили с обычным акселерометром, а отдельно система использовала навигационный инерциальный измерительный блок. Классические датчики хорошо отслеживают быстрые перемещения, тогда как атомный сенсор обеспечивает стабильное опорное значение в долгосрочной перспективе: в 56-часовом стационарном испытании привязка к атомному датчику уменьшила долговременный дрейф примерно в 70 раз по сравнению с использованием только классического канала.
Что также важно, оборудование успешно работало в обычной пассажирской каюте без специальной температурной стабилизации, гироскопической платформы и периодической калибровки. Иными словами, эксперимент показал, что квантовый гравиметр способен работать не только в лаборатории, но и на борту находящегося в движении судна в реальных морских условиях. Во время отдельных испытаний система сохраняла работоспособность при волнении моря до четырёх баллов.
Ранее Q-CTRL уже испытывала свою квантовую навигационную платформу на самолётах и наземном транспорте, но там использовалась система MagNav, ориентирующаяся по магнитному полю Земли. В 2025 году она, по данным компании, превосходила высококлассные традиционные альтернативы GPS по точности вплоть до 100 раз. Разработками Q-CTRL уже заинтересовались военные: компания сотрудничает с DARPA, подразделением Defense Innovation Unit Минобороны США, Министерством обороны Австралии, Королевским военно-морским флотом Великобритании и другими партнёрами AUKUS.