Глава 1. Как объект узнает, где он находится

Чтобы понять, зачем вообще понадобилась квантовая навигация, сначала необходимо разобраться, что означает само слово «навигация». На первый взгляд задача кажется простой: система должна сообщить человеку или машине текущие координаты. Однако в действительности координаты — лишь одна из нескольких величин, без которых невозможно управлять движущимся объектом.

Самолету недостаточно знать, что он находится над определенной точкой земной поверхности. Необходимо знать его высоту, скорость, направление движения, крен, тангаж и курс. Подводной лодке требуется определить не только положение относительно карты, но и глубину, ориентацию корпуса и скорость. Космическому аппарату необходимо знать свое положение и скорость уже не относительно поверхности Земли, а в выбранной пространственной системе координат.

Поэтому современная навигация представляет собой не отдельный прибор, а целую измерительно-вычислительную систему.

Четыре основные задачи навигации

В наиболее общем виде навигационная система должна определять четыре группы параметров:

положение объекта;

скорость его движения;

ориентацию в пространстве;

точное время.

Первые три пункта очевидны. Четвертый часто недооценивают, хотя современная навигация практически невозможна без точной шкалы времени.

Положение обычно описывается тремя координатами:

или географическими параметрами:

широта;

долгота;

высота.

Скорость также является векторной величиной:

Но даже координат и скорости недостаточно. Необходимо знать, как ориентирован сам объект. Для самолета, корабля или беспилотника это обычно описывается тремя углами:

курс;

крен;

тангаж.

Таким образом, навигационный компьютер постоянно решает задачу восстановления состояния движущегося объекта по данным множества датчиков.

PNT

—

Positioning

,

Navigation

and

Timing

В современной технической литературе часто используется термин PNT — Positioning, Navigation and Timing, то есть «позиционирование, навигация и синхронизация времени».

Эти три задачи тесно связаны.

Positioning отвечает на вопрос:

Где находится объект?

Navigation отвечает на более широкий вопрос:

Как объект движется и куда он должен двигаться дальше?

Timing обеспечивает единую и чрезвычайно точную шкалу времени.

Последний элемент особенно важен для спутниковых систем. GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou фактически определяют расстояние до спутников посредством измерения времени распространения радиосигнала.

Радиоволны распространяются приблизительно со скоростью света:

Поэтому ошибка времени всего в одну микросекунду соответствует примерно:

Ошибка в одну наносекунду соответствует уже примерно 30 сантиметрам.

Именно поэтому спутники навигационных группировок несут атомные часы.

Позже мы увидим, что атомные часы оказываются важнейшим элементом и автономной квантовой навигации.

Абсолютная и относительная навигация

Все методы определения положения можно условно разделить на две большие группы.

Абсолютная навигация

Система определяет свое положение относительно некоторого внешнего объекта или заранее известной карты.

Примеры:

спутники GNSS;

радиомаяки;

звезды;

карта рельефа;

магнитная карта Земли;

карта гравитационных аномалий.

Внешний ориентир позволяет непосредственно или косвенно определить положение объекта.

Главное преимущество такого метода заключается в том, что ошибка не обязательно накапливается со временем. Получив новое внешнее измерение, система может вновь определить свои координаты.

Однако существует и очевидный недостаток: внешний ориентир должен быть доступен.

Относительная навигация

Здесь система начинает движение из известной точки и затем вычисляет свое новое положение по измеренному перемещению.

Так работает инерциальная навигационная система.

Если известны начальные координаты

а затем непрерывно измеряется движение объекта, можно рассчитывать его последующее положение без обращения к спутникам или радиомаякам.

Это дает важнейшее преимущество — автономность.

Но появляется другая проблема: любая ошибка измерения постепенно накапливается.

Именно борьба с этим накоплением ошибки стала одной из главных причин развития квантовой навигации.

Спутниковая навигация

Сегодня наиболее известным средством определения координат являются глобальные навигационные спутниковые системы — GNSS.

К ним относятся:

американская GPS;

российская ГЛОНАСС;

европейская Galileo;

китайская BeiDou.

Принцип их работы в основе довольно прост.

Спутник передает радиосигнал, содержащий информацию о времени передачи и собственном положении. Приемник сравнивает время отправки сигнала с временем его получения и определяет псевдодальность до спутника.

Имея измерения от нескольких спутников, навигационный процессор рассчитывает положение приемника.

GNSS обладает огромными преимуществами:

глобальным покрытием;

сравнительно высокой точностью;

небольшой стоимостью приемников;

отсутствием накопления инерциальной ошибки.

Поэтому спутниковая навигация проникла практически во все сферы современной жизни.

Однако есть фундаментальная проблема: приемник должен получить чрезвычайно слабый радиосигнал, пришедший с расстояния около двадцати тысяч километров и более.

Такой сигнал можно подавить.