Мы считаем «по умолчанию», что GPS является повсеместным и доступным, но это очень «скользкое» предположение. Глобальная система позиционирования в США, а также другие варианты глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) подвержены влиянию мертвых зон, чрезмерного шума, плохого отношения сигнал / шум (SNR), преднамеренных помех и даже спуфинга (spoofing), которые могут сделать его недоступным, неточным или сильно исказить данные.
Но может быть вполне жизнеспособная резервная альтернатива, правда, с меньшей точностью — магнитное поле Земли. Используя магнитометры для определения уровня магнитного поля, а также точные карты аномалий и вариаций поля (а их много), в дополнение к машинному обучению (ML), может оказаться практичным извлекать полезные данные о местоположении и навигационные данные, даже если на него влияют шумы и многочисленные динамические локальные и широкодиапазонные искажения.
Несмотря на эти проблемы, использование данного всепроникающего магнитного поля (в первую очередь для навигации в полете) является привлекательным, поскольку оно очевидно доступно во всем мире, и его практически невозможно намеренно заблокировать или исказить, особенно на расстоянии. Хотя доступны альтернативные решения для определения местоположения, навигации и времени (APNT), такие как камеры и компьютерное зрение, отслеживание звезд или местности, они ограничены визуальной средой, погодой и отсутствием топографии под водой. В отличие от этого, система магнитной навигации собирает доступные данные о магнитном поле с помощью магнитометров, а затем создает и сопоставляет карты магнитных аномалий для определения текущего местоположения.
Проект, который начался как теоретическая работа в сотрудничестве между Массачусетским технологическим институтом (MIT), лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института и Технологическим институтом ВВС (Дейтон, Огайо), реализуется уже несколько лет. Недавно она была дополнена обширными летными испытаниями для создания лучших карт магнитного поля и сбора данных.
Ведущий исследователь проекта, майор ВВС и профессор Аарон Канчиани, признает, что GPS обеспечивает гораздо большую точность, но также отмечает, что во многих случаях дополнительная точность не так важна, как доступность и простота использования. В общем, мобильный GPS имеет точность порядка одного метра или меньше, в то время как подход магнитной навигации (MAGNAV) потенциально имеет точность примерно до одного километра. Однако он говорит, что значительный процент задач, на самом деле, не требует точности класса GPS.
В навигации по магнитным аномалиям используется скалярный магнитометр в качестве датчиков для измерения различий в магнитных полях. Сравнение этих измерений с картами магнитного поля может предоставить информацию, приводящую к определению местоположения. Производительность зависит от точности карт поля Земли и аномалий — существует множество таких карт с очень разным качеством и точностью, которые были измерены и составлены на протяжении многих лет (рисунок ниже).
На этих картах показаны сильно выраженные локальные вариации поля из-за различий во внешней коре и подкорных слоях Земли, а также более глубокие причины (буквально) от потоков проводящего материала внутри Земли. Аномалии не только изменяются из-за геологических сдвигов, но и имеют суточные и другие циклические сдвиги по разным причинам.
Доктор наук, профессор Канчиани в 2016 г. в своей диссертации «Абсолютное позиционирование с использованием поля магнитных аномалий Земли» создал контекст для проекта. Этот популярный и достаточно насыщенный информацией 265-страничный тезис начинается как проницательный учебник и устанавливает основу для того, как в принципе можно использовать сложные алгоритмы для извлечения полезных результатов и, как следствие, навигационной информации из искаженного, постоянно меняющегося магнитного поля.
В документе очень четко говорится о многочисленных тонких нюансах и сложных факторах, влияющих на эту карту, а также о целостности собранных данных и о способах оценки и понимания этих факторов. Он также опубликовал четкий и информативный обзор PowerPoint из 17 слайдов по этой теме под названием «Магнитная навигация», который является очень полезным введением. (Обратите внимание, что поле ядра Земли — то, которое «чувствует» большинство людей, которое заставляет компас указывать на север, — имеет очень небольшие пространственные вариации и, следовательно, не подходит для абсолютного позиционирования.)
Геофизики и промышленность десятилетиями составляли карты магнитных аномалий для изучения недр Земли. Эти карты дают ценную информацию о местонахождении и типах полезных ископаемых, захороненных под землей, и обычно используются в промышленности для обнаружения таких ресурсов, как нефть и алмазы.
Базовая линия — это Мировая цифровая карта магнитных аномалий (WDMAM), глобальная сетка с разрешением в три угловые минуты аномалии магнитной напряженности на высоте 5 км над средним уровнем моря. Эта карта составлена на основе спутниковых, морских, аэромагнитных и наземных магнитных съемок и официально обновляется каждые пять лет.
WDMAM создается путем отличия измеренной магнитной напряженности от эталонного поля; наиболее часто используемым эталонным полем является Международное эталонное геомагнитное поле (IGRF). Большинство этих исследований магнитной интенсивности выполняется с помощью скалярных магнитометров с использованием метода расщепленных пучков на основе цезия с оптической накачкой, которые имеют абсолютную точность от одного до трех нанотесла.
Одно из испытаний проекта включало полеты и сбор данных с использованием специализированного небольшого самолета от Sander Geophysics Limited (всемирная геофизическая компания) (рисунок ниже). Он оснащен несколькими магнитометрами, а также GPS и инерциальной навигационной системой (INS) для точной трехмерной маркировки местоположения, связанной с полученными магнитными данными. Один скалярный магнитометр был установлен на внешнем хвостовом «стингере» для сбора магнитных измерений с минимальным шумом магнитного поля самолета. Остальные четыре скалярных магнитометра, а также три векторных феррозондающих магнитометра были размещены внутри салона самолета. Измеряемые отклонения на основе аномалий составляют всего несколько нанотесла.
Полетные данные были собраны по множеству тщательно определенных схем и высот, но это только часть проекта (рисунок ниже). Для создания точной карты необходим очень большой список основных и расширенных поправок и компенсаций для корректировки необработанных данных для окаймления зоны измерения, разницы в высоте полета, искажений, вызванных магнитным полем самолета, и многих других факторов.
Было бы неплохо отметить, что испытания прошли успешно и доказали жизнеспособность концепции MAGNAV, но это упрощенная точка зрения. В документе есть десятки графиков и таблиц, в которых данные анализируются с разных точек зрения, и это не вопрос прохождения теста.
Поле ядра Земли имеет значения в диапазоне от 25 до 65 микротесла (у поверхности Земли магнитное поле примерно в 100 раз слабее, чем магнит холодильника), в то время как интересующее поле магнитной аномалии обычно изменяется всего на сотни нанотесла, что делает его примерно в 100 раз слабее основного поля. Процесс извлечения значимых данных об аномалиях, в некоторой степени, аналогичен определению крохотного случайного сигнала, некоторые общие характеристики которого примерно известны, но он скрыт гораздо более крупными, а также несколько изменяющимися базовыми линиями, подобными постоянному току, — классическая проблема высокого класса в теории оценки сигналов.
Для дальнейшего анализа объемных данных и сведения их к значимым результатам основная команда проекта недавно опубликовала 21-страничный документ, в котором определяется «проблема проблем», над которой должна работать команда, а также сторонние специалисты. В документе «Улучшение сигнала для проблемы с магнитной навигацией» проясняются многие проблемы и устанавливаются цели для этой сложной задачи по фильтрации зашумленных, нелинейных, искаженных данных и применения многочисленных корректировок. В результате будут развязаны магнитные сигналы Земли и самолета, и, в свою очередь, будет получен чистый скорректированный сигнал, который можно будет использовать для выполнения магнитной навигации.
Базовое тестирование набора данных показывает, что аномалии магнитного поля Земли можно выделить из общего магнитного поля с помощью машинного обучения (ML) и обученной нейронной сети. Однако предстоит еще много работы, включая дополнительные летные испытания над различными регионами, чтобы попытаться продемонстрировать осуществимость этого подхода к навигации.
Станет ли MAGNAV жизнеспособной альтернативой или резервной копией GPS? В настоящее время сказать сложно. Тем не менее, здесь есть некоторая историческая ирония, поскольку магнитный компас был одним из первых навигационных инструментов. Возможность использования прецизионных магнитометрических измерений аномалий в поле Земли вместе с подробными картами в некотором смысле можно было бы рассматривать как весьма сложное расширение компаса, но на много порядков величины.
