Quantum GPS. Czy nawigacja kwantowa pozwoli lotnictwu uniezależnić się od satelitów?
Zakłócanie sygnału GPS nie jest już problemem, który można zbyć stwierdzeniem, że dotyczy wyłącznie lotnictwa wojskowego. Jamming i spoofing stały się rzeczywistym zagrożeniem dla lotnictwa cywilnego, szczególnie w rejonach konfliktów zbrojnych.
Samoloty nie tracą oczywiście wszystkich możliwości nawigacyjnych po utracie GNSS. Dysponują systemami inercyjnymi, a w wielu rejonach również naziemnymi pomocami radionawigacyjnymi. Problem polega na tym, że coraz większa część współczesnej nawigacji opiera się na sygnałach satelitarnych.
Tymczasem rozwijana jest technologia, która może zmienić tę zależność. Nazywa się ją nawigacją kwantową, a czasem, nieco na wyrost, quantum GPS.
Co właściwie kryje się pod tą nazwą?
Nawigacja kwantowa, czyli co?
Zacznijmy od tego, że quantum GPS nie jest nowym systemem satelitarnym. Nie wymaga konstelacji satelitów ani odbioru sygnałów radiowych z kosmosu.
Podstawą jednej z rozwijanych technologii są czujniki wykorzystujące właściwości atomów do niezwykle precyzyjnego pomiaru ruchu.
Żeby zrozumieć, na czym polega różnica, warto przypomnieć zasadę działania klasycznego systemu nawigacji inercyjnej.
Jeżeli znamy początkowe położenie samolotu, a następnie dokładnie mierzymy jego przyspieszenia i ruch obrotowy, możemy obliczać kolejne pozycje. Nie potrzebujemy do tego GPS. Wystarczy wiedzieć, jak samolot poruszał się od ostatniej znanej pozycji.
Tak właśnie działa nawigacja inercyjna.
Problemem są błędy pomiarowe. Nawet bardzo mały błąd akcelerometru, kumulowany przez wiele godzin, może doprowadzić do znacznego błędu wyznaczonej pozycji.
Dlatego klasyczne systemy inercyjne z czasem tracą dokładność, jeżeli nie otrzymują informacji korygujących z innych źródeł.
Nawigacja kwantowa ma potencjał istotnego ograniczenia tego problemu.
Jak atom może pomóc w nawigacji?
Jedną z metod jest interferometria atomowa.
W odpowiednio przygotowanym urządzeniu wykorzystuje się chmurę atomów, na przykład rubidu lub cezu. Atomy są schładzane, a następnie poddawane oddziaływaniu precyzyjnie sterowanych impulsów laserowych.
Zgodnie z mechaniką kwantową atomy wykazują właściwości falowe. Odpowiednia sekwencja impulsów pozwala rozdzielić i ponownie połączyć ich stany kwantowe.
Wynik interferencji zależy między innymi od przyspieszenia działającego na układ.
Mówiąc prościej: ruch urządzenia zmienia wynik pomiaru, a analiza tego wyniku pozwala bardzo dokładnie określić przyspieszenie.
Nie mierzymy więc przyspieszenia za pomocą klasycznego elementu mechanicznego. Wykorzystujemy zachowanie atomów, których właściwości fizyczne są niezwykle stabilne.
Tak otrzymane pomiary mogą posłużyć do budowy nowej generacji systemów nawigacji inercyjnej.
Nie oznacza to, że urządzenie samo z siebie zna współrzędne geograficzne. Nadal potrzebuje pozycji początkowej, odpowiednich obliczeń i kontroli błędów. Technologia kwantowa ma przede wszystkim poprawić jakość pomiarów, na których opiera się wyznaczanie pozycji.
Warto też pamiętać, że czujniki kwantowe nie są automatycznie dokładniejsze od najlepszych klasycznych systemów w każdych warunkach. Szczególnie trudne pozostaje uzyskanie odpowiedniej dokładności na pokładzie poruszającego się samolotu.
A gdyby wykorzystać pole magnetyczne Ziemi?
Równolegle rozwijana jest nawigacja magnetyczna, która może uzupełniać systemy inercyjne.
Ziemskie pole magnetyczne nie jest jednorodne. Występują w nim lokalne anomalie związane między innymi z budową geologiczną skorupy ziemskiej.
Można je zmierzyć i sporządzić odpowiednie mapy.
Samolot wyposażony w dokładny magnetometr może podczas lotu porównywać zmierzone wartości pola magnetycznego z taką mapą. Charakterystyczny układ anomalii pomaga ustalić, gdzie znajduje się samolot.
To trochę tak, jakby zamiast odczytywać współrzędne z satelitów, rozpoznawać teren na podstawie jego magnetycznego odcisku palca.
W odróżnieniu od czysto inercyjnego wyznaczania pozycji metoda ta wykorzystuje zewnętrzne odniesienie, które może pomóc ograniczać narastanie błędów.
Nie każda nawigacja magnetyczna jest jednak nawigacją kwantową. Magnetometry mogą wykorzystywać zarówno klasyczne metody pomiarowe, jak i zjawiska kwantowe.
Są też ograniczenia. Sam samolot wytwarza zakłócenia magnetyczne, a skuteczność systemu zależy od jakości map oraz charakterystyki pola magnetycznego w danym rejonie.
To już nie tylko eksperymenty laboratoryjne
W 2024 roku Boeing poinformował o przeprowadzeniu lotu doświadczalnego z wykorzystaniem czujników kwantowych.
Rozwijane są również systemy nawigacji magnetycznej, testowane między innymi na samolotach Embraer 170.
Znaczenie tych prób polega na sprawdzeniu, czy technologie opracowywane w laboratoriach zachowują swoje właściwości w rzeczywistych warunkach lotu.
Samolot nie jest bowiem laboratorium. Drgania, zmiany temperatury, przyspieszenia i zakłócenia pochodzące od instalacji pokładowych mogą istotnie wpływać na dokładność pomiarów.
Udany lot bez GPS nie oznacza jeszcze, że powstał system gotowy do zastosowania w lotnictwie komunikacyjnym.
Czy nawigacja kwantowa rozwiąże problem spoofingu?
To jeden z najbardziej interesujących aspektów tej technologii.
W przypadku jammingu odbiornik może utracić możliwość wyznaczania pozycji satelitarnej. Spoofing jest bardziej podstępny, ponieważ odbiornik może nadal dostarczać pozycję, tyle że nieprawidłową.
Niezależny system nawigacyjny mógłby umożliwić porównanie pozycji GNSS z pozycją wyznaczoną bez wykorzystania sygnałów satelitarnych.
Jeżeli pojawi się istotna rozbieżność, system może wykryć, że przynajmniej jedno ze źródeł nie jest wiarygodne.
Samo wykrycie rozbieżności nie rozstrzyga jednak, które źródło jest prawidłowe. Potrzebne są odpowiednie mechanizmy monitorowania i oceny wiarygodności danych.
Największą korzyścią byłaby możliwość dalszego prowadzenia nawigacji na podstawie niezależnego źródła pozycji.
Pozostaje oczywiście kwestia dokładności i integralności.
System wystarczający do nawigacji podczas przelotu oceanicznego nie musi spełniać wymagań dla podejścia RNP AR. Sama zdolność wyznaczania pozycji nie jest jeszcze równoznaczna z możliwością wykorzystania jej do każdej operacji PBN.
To właśnie będzie jednym z najważniejszych zagadnień podczas przyszłych procesów certyfikacyjnych.
Czy GPS odejdzie do historii?
Nie ma szczególnego powodu, żeby z niego rezygnować.
GNSS pozostaje niezwykle użytecznym źródłem informacji nawigacyjnej. Problemem nie jest samo korzystanie z satelitów, lecz nadmierne uzależnienie od sygnału, który można zakłócić lub sfałszować.
Nawigacja kwantowa może w przyszłości umożliwić budowę znacznie dokładniejszych systemów inercyjnych. W połączeniu z nawigacją magnetyczną i innymi niezależnymi źródłami informacji mogłaby zwiększyć odporność całego systemu nawigacyjnego.
Nie wiemy jeszcze, kiedy takie rozwiązania osiągną dojrzałość pozwalającą na ich powszechne zastosowanie w lotnictwie komunikacyjnym.
Nie wiemy również, czy ich koszt, masa i wymagania eksploatacyjne pozwolą na zastosowanie ich na szeroką skalę.
Jedno jest natomiast warte uwagi: przez ostatnie kilkadziesiąt lat koncentrowaliśmy się przede wszystkim na zwiększaniu dokładności nawigacji satelitarnej.
Dzisiaj coraz większego znaczenia nabiera inne pytanie.
Czy potrafimy zapewnić samolotowi wiarygodną informację o położeniu również wtedy, gdy sygnał satelitarny przestaje być wiarygodny?
Nawigacja kwantowa może być częścią odpowiedzi.
Kiedy nawigacja kwantowa trafi do samolotów i ile będzie kosztować?
Pierwsze próby w locie już za nami, ale od udanego eksperymentu do wyposażenia seryjnego samolotu droga jest jeszcze daleka.
W perspektywie najbliższych pięciu lat można oczekiwać przede wszystkim dalszych badań, miniaturyzacji czujników i prób integracji z istniejącymi systemami nawigacyjnymi. Pierwszymi odbiorcami będą zapewne użytkownicy wojskowi, dla których niezależność od GNSS ma szczególne znaczenie.
W latach 30. możliwe jest pojawienie się pierwszych wyspecjalizowanych zastosowań cywilnych. Nie oznacza to jednak, że od razu otrzymamy system pozwalający wykonywać wszystkie operacje PBN bez GNSS.
Powszechne zastosowanie w lotnictwie komunikacyjnym może zająć kolejną dekadę. Nie ma jednak podstaw do wskazania wiarygodnej daty. Wiele zależy od tego, czy uda się połączyć odpowiednią dokładność z niezawodnością, niewielkimi rozmiarami i akceptowalnymi kosztami.
A co z lotnictwem ogólnym?
Tutaj barierą może okazać się przede wszystkim cena. Trudno oczekiwać, że właściciel Cessny 172 wyda kilkadziesiąt tysięcy dolarów na dodatkowy system nawigacyjny tylko po to, żeby uniezależnić się od GPS.
W raporcie amerykańskiego Departamentu Transportu z 2024 r. przytoczono prognozę spadku ceny magnetometrów kwantowych z około 50 tys. do 5 tys. dolarów w ciągu pięciu lat. Trzeba jednak podkreślić, że chodzi o sam czujnik, a nie kompletny, certyfikowany system nawigacyjny.
Do ceny urządzenia trzeba będzie doliczyć elektronikę, oprogramowanie, integrację z awioniką, certyfikację i montaż. Dzisiaj nie ma wiarygodnego cennika takich systemów dla GA.
Pierwsze zastosowania w droższych samolotach lotnictwa ogólnego mogą pojawić się w latach 30. Na rozwiązania dostępne cenowo dla właścicieli typowych Cessn i Piperów prawdopodobnie poczekamy dłużej. Są to jednak orientacyjne scenariusze, a nie ogłoszone terminy wdrożeń.
Nie wykluczałbym również, że prostsze systemy nawigacji magnetycznej trafią do małych samolotów wcześniej niż pełne kwantowe systemy inercyjne.
Najważniejsze jest jednak to, że nie musimy czekać na technologię, która całkowicie zastąpi GPS. Nawet częściowe ograniczenie dryfu systemów inercyjnych lub wprowadzenie dodatkowego, niezależnego źródła pozycji może istotnie poprawić odporność nawigacji na zakłócenia GNSS.
Przyszłość należy więc prawdopodobnie do systemów hybrydowych, w których GPS pozostanie jednym z kilku źródeł informacji, ale przestanie być źródłem, od którego zależy tak wiele.
Na razie nie ma powodu odkładać zakupu nowego GPS w oczekiwaniu na jego kwantowego następcę.