GPS — это технология, меняющая мир. Это также чрезвычайно хрупкая, легко поддающаяся обману и чувствительная к взломам система. Вот почему ВМС и Корпус морской пехоты США ищут навигацию по «Плану Б», сообщает kratko-news.com.
Двадцать шесть лет назад, в 1995 году, ВВС США достигли важной вехи: их система глобальной системы позиционирования (GPS) стала полностью работоспособной. Сегодня GPS направляет наш мир, от супертанкеров до доставки пиццы. Но прежде чем создать это современное навигационное чудо, нужно было узнать, как люди смотрят на небо.
На протяжении веков, используя секстант, моряки могли отмечать положение корабля, выполняя несколько вычислений для определения положения звезды относительно горизонта. Теперь высокотехнологичная версия этой морской традиции вернулась в практику.
В наши дни GPS незаменим, но он очень хрупкий. Его можно подделать с помощью поддельного спутникового сигнала, взломать или просто уничтожить. Однако все это не касается одного — звезд.
Звездная навигация
Положение астродома в бомбардировщике B-17 (отмечено красной стрелкой)
Это было не так давно, как могло показаться.
Военно-морской флот США стал меньше зависеть от традиционного секстанта уже во время Второй мировой войны, когда появились средства радионавигации, но небо оставалось важной картой, в частности, для моряков и пилотов. Бомбардировщики времен Второй мировой войны, такие как B-17 Flying Fortress, имели астродом , прозрачное полушарие, которое позволяло штурману наблюдать за звездами.
После войны и рождения ракетного двигателя ученые начали устанавливать однотипные астрономические навигаторы в ракеты.
Разработанная в 1960-х годах крылатая ракета SM-62 Snark была оснащена первой автоматической системой навигации по воздуху, механико-электрическим устройством весом почти в тонну.
У штурмана Снарка был небольшой телескоп, установленный на трех карданных валах, которые вращались, чтобы направлять телескоп в определенную область неба. Первый фотодатчик обнаруживал звезды в поле зрения и измерял их углы, распознавая их по звездному каталогу. Разработчики заявили, что Снарк мог перемещаться на расстояние около трех километров, но практически никогда не работал так хорошо.
Спустя десятилетия инженеры построили на бомбардировщике B-2 и ракете Trident современные небесные навигаторы размером примерно с микроволновую печь.
Обсерватория Boeing Orientation Repair Center в Хайте, штат Огайо, каждые несколько дней проверяет положение Полярной звезды и использует результаты измерений для калибровки военных систем навигации и наведения. Современные ракеты используют воздушную навигацию в сочетании с инерциальной навигационной системой (ИНС).
В то время как астрономическая навигация осталась в нишевых областях, таких как ракеты, GPS вытеснил конкурентов, потому что он точен и дешев. Однако GPS работает только при хорошем спутниковом сигнале, и противники хорошо знают об этой слабости.
Уязвимость GPS
В 2018 г. помехи в GPS нарушили учения НАТО в Скандинавии, а ложные сигналы GPS из Китая могут привести к тому, что корабли во многих прибрежных районах могут неправильно определить свое местоположение. В результате современные военные системы GPS имеют ряд электронных средств защиты для предотвращения помех и взлома, включая направленные антенны и специальный сигнал M-кода военного спутника.
Даже при наличии этих мер безопасности сигнал GPS может просто отсутствовать: есть опасения, что спутниковая система может быть взломана, или что сами спутники могут быть сбиты противником или уничтожены огромной солнечной бурей. Это сосредоточило военные умы на проявлениях альтернатив.
Новые системы астрономической навигации
Новые системы используют инфракрасный вместо видимого света для обнаружения звезд в дневное время. Звезды на дневном небе светят так же ярко, как и ночью, но их свет маскируется солнечным светом, рассеянным атмосферой. Рассеяние сильнее всего на коротких волнах. Вы знаете, что синий свет в небе наиболее заметен. Но посмотрите на то же самое в небе через фильтр, пропускающий только инфракрасный свет, и небо внезапно станет темным и заполненным звездами.
«Двадцать лет назад эти инфракрасные датчики были довольно дорогими. С тех пор цена падает, а количество пикселей растет», — говорит Джордж Каплан, консультант обсерватории ВМС США.
Возникновение астрономической навигации также совпадает с другой технологией, называемой «фазовой оптической матрицей», которую не нужно нацеливать на такую часть неба, как телескопы. Датчики этого типа не имеют линзы, которую можно сфокусировать, но имеют множество антенн из небольших метаматериалов, которые улавливают свет. Блок обработки может сдвигать фазу сигнала от каждой антенны для достижения того же эффекта, что и движущаяся фокусирующая линза.
Однако традиционная астрономическая навигация требует измерения угла звезды или планеты в небе. Для этого вам нужно точно определить горизонт или, в качестве альтернативы, азимут или истинную вертикаль.
Поскольку спутники находятся довольно близко к поверхности Земли, наблюдатели могут рассчитать свое положение на основе углов различных спутников. Навигатору не нужно видеть горизонт или знать местную вертикаль. Это вариант триангуляции, который использует любой турист, снимая угловые показания с двух горных вершин.
Любой видимый спутник может использоваться для навигации, если его местоположение известно и теперь есть выбор. В 2010 г. на орбите находилось менее 1000 спутников; это число увеличилось более чем вдвое и быстро растет за счет массового запуска малых спутников.
Единственное ограничение — насколько точно известно положение спутника. К счастью, Управление авиации и обороны Северной Америки (NORAD) отслеживает многие из них с помощью высокоточных радаров и может предоставить данные военным.
Когда эти инструменты небесной навигации будут готовы к битве, они будут иметь разные формы и размеры. Автоматизированная система астрономической навигации ВМФ заменит старые латунные секстанты и предоставит данные, которые можно будет передавать на корабельные компьютеры вместе с другими навигационными датчиками. Будущие баллистические ракеты также будут оснащены усовершенствованной системой навигации по небесной сфере.
Недостатки астрономической навигации
Хотя местоположение уже можно определить с точностью около 20 метров, и разрабатываются более точные устройства, навигация по небу не так удобна, как GPS. С одной стороны, в настоящее время определение позиции занимает гораздо больше времени, часто несколько десятков секунд.
С другой стороны, даже если инфракрасные мониторы могут видеть сквозь туман и легкий облачный покров, они не могут видеть сквозь плотные низкие облака. В отличие от GPS, небесная навигация не будет доступна круглосуточно, и ей придется работать с инерциальной навигационной системой. К счастью, она становится намного меньше и дешевле.
Кто знает, куда нас могут привести звезды через несколько десятилетий.
