Используя измерения аномалий магнитного поля Земли и машинное обучение для извлечения данных из необработанных сигналов, а затем, сопоставляя их с точными картами магнитных аномалий, можно обеспечить приемлемую точность воздушной навигации, независящей от GPS
Мы принимаем как данность, что GPS доступна везде и всегда, но считать это аксиомой было бы большим заблуждением. Американская глобальная система позиционирования, а также другие варианты глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) подвержены влиянию мертвых зон, чрезмерных помех, плохого отношения сигнал/шум, преднамеренных помех и даже спуфинга, которые могут сделать ГНСС недоступной, неточной, а то и просто дезинформирующей.
Но у ГНСС может быть жизнеспособная резервная альтернатива, правда не такая точная – магнитное поле Земли. Используя магнитометры для измерения этого поля, а также точные карты аномалий и вариаций поля (а их много) в дополнение к машинному обучению, возможно, удастся извлекать практически полезные данные о местоположении и навигации, даже если на них влияют помехи и многочисленные динамические локальные и широкозонные искажения.
Несмотря на эти проблемы, использование всепроникающего магнитного поля (в первую очередь для аэронавигации) привлекательно тем, что оно очевидно доступно в любой точке мира, и его практически невозможно намеренно заблокировать или исказить, особенно на расстоянии. Хотя для определения местоположения, навигации и измерения времени доступны альтернативные решения, такие как камеры и компьютерное зрение, слежение за звездами или за рельефом местности, они ограничены визуальной средой, погодой и отсутствием рельефа над водой. В отличие от этого, магнитная навигационная система с помощью магнитометров собирает доступные данные о магнитном поле, а затем создает и сопоставляет карты магнитных аномалий для определения текущего местоположения.
Работа над проектом, который начинался как теоретические исследования объединенного коллектива Массачусетского технологического института (MIT), лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и Технологического института ВВС (Дейтон, Огайо), продолжается уже несколько лет. Недавно он был дополнен обширной программой летных испытаний для сбора данных и создания лучших карт магнитного поля.
Ведущий исследователь проекта, майор ВВС и профессор Аарон Канчиани (Aaron Canciani), признает, что GPS обеспечивает намного лучшую точность, но отмечает, что во многих случаях дополнительная точность не так важна, как доступность. Обычно мобильный GPS имеет точность порядка одного метра или меньше, в то время как метод магнитной навигации (MAGNAV – magnetic navigation) потенциально достигает точности порядка одного километра. Однако он говорит, что значительный процент миссий на самом деле не требует точности класса GPS.
В навигации по магнитным аномалиям в качестве датчиков для измерения различий в магнитных полях используются скалярные магнитометры. Сравнение результатов этих измерений с картами магнитных полей может дать информацию, позволяющую определить местоположение. Характеристики навигационной системы зависят от точности карт магнитного поля Земли и его аномалий. Существует множество таких карт с очень разным качеством и точностью, которые составлялись на основании измерений, проводившихся на протяжении многих лет (Рисунок 1).
 | ||
| Рисунок 1. | Эта карта, в отличие от обычной карты Земли, показывает вариации магнитного поля части земного шара, измеренные на стандартизированной фиксированной высоте над поверхностью. (Источник: http://geomag.org/models/wdmam.html). | |
Эти карты показывают сильные локальные вариации поля, обусловленные различиями во внешней коре и подкорковых слоях Земли, а также более глубокими (буквально) причинами, связанными с потоками проводящего материала внутри Земли. Аномалии не только изменяются из-за геологических сдвигов, но даже имеют суточные и другие циклические сдвиги, вызываемые различными причинами.
Контекст для этого проекта был создан докторской диссертацией профессора Канчиани 2016 года «Абсолютное позиционирование с использованием аномалий магнитного поля Земли» [1]. Эта очень легко читающаяся и сильная 265-страничная диссертация, начинающаяся как содержательный учебник, закладывает принципиальные основы использования сложных алгоритмов для извлечения полезных результатов и, в конечном счете, навигационной информации из искаженных, постоянно меняющихся сигналов аномалий магнитного поля.
В документе очень четко описываются многочисленные тонкие и сложные факторы, влияющие на эту карту и на целостность собранных данных, а также способы оценки и понимания этих факторов. Он также опубликовал по этой теме наглядный и информативный обзор из 17 слайдов PowerPoint под названием «Магнитная навигация» [2], который можно рассматривать как очень полезное введение. (Обратите внимание, что поле ядра Земли – то, которое известно большинству людей, и которое заставляет компас указывать на север, – имеет очень небольшие пространственные вариации и поэтому для абсолютного позиционирования не подходит).
Геофизики и промышленность десятилетиями составляли карты магнитных аномалий для изучения недр Земли. Эти карты дают ценную информацию о местонахождении и типах полезных ископаемых, скрытых под землей, и обычно используются в промышленности для обнаружения таких ресурсов, как нефть и алмазы.
Базовым ориентиром является Всемирная цифровая карта магнитных аномалий (World Digital Magnetic Anomaly Map, WDMAM) – глобальная сеть аномалий магнитной интенсивности с разрешением в три угловые минуты на высоте 5 км над средним уровнем моря [3]. Эта карта, составленная на основе спутниковых, морских, аэромагнитных и наземных магнитных съемок, официально обновляется каждые пять лет.
WDMAM создается путем вычисления разностей измеренных напряженностей магнитного поля и эталонного поля; наиболее часто используемым эталонным служит Международное эталонное геомагнитное поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF). Большинство этих исследований интенсивности магнитного поля выполнено с помощью скалярных магнитометров с расщепленным пучком на основе цезия с оптической накачкой, имеющих абсолютную точность от одного до трех нанотесла.
Один из экспериментов проекта включал полеты и сбор данных с помощью небольшого специализированного самолета (Рисунок 2) всемирной геофизической разведывательной компании Sander Geophysics [4]. Он оснащен несколькими магнитометрами, а также GPS и инерциальной навигационной системой для точной трехмерной привязки полученных магнитных данных к местоположению самолета. Для минимизации влияния помех от магнитного поля самолета при выполнении измерений один скалярный магнитометр был установлен на внешнем хвостовом «жале». Остальные четыре скалярных магнитометра, а также три векторных феррозондовых магнитометра были размещены внутри салона самолета. Измеряемые отклонения, обусловленные аномалиями, имеют порядок всего нескольких нанотесла.
 | ||
| Рисунок 2. | Одним из испытательных самолетов, использованных командой проекта, был Cessna Caravan, часто оснащаемый для геофизических исследований. На нем было установлено пять скалярных магнитометров (один – в удлинении хвостового «жала») и три векторных магнитометра. (Источник: Wikimedia Commons). | |
Полетные данные собирались по множеству тщательно определенных направлений и высот, но это была только часть проекта (Рисунок 3). Для создания точной карты необходим очень большой перечень основных и дополнительных поправок и компенсаций, позволяющих скорректировать необработанные данные для окаймления зоны измерения, учета различий в высоте полета, вносимых самолетом искажений и многих других факторов.
 | ||
| Рисунок 3. | Целью первого этапа проекта является сбор исходных данных об аномалиях магнитного поля, измеренных с высоким разрешением, которые можно использовать для создания точной трехмерной карты. (Источник: Air Force Institute of Technology). | |
Было бы неплохо сказать, что испытания прошли успешно и доказали жизнеспособность концепции MAGNAV, но это слишком упрощенный взгляд. В диссертации есть десятки графиков и таблиц, анализирующих данные с разных точек зрения и наглядно показывающих, что тривиальная формула успешно/неудачно здесь не работает.
Значения уровней поля ядра Земли на ее поверхности находятся в диапазоне от 25 до 65 микротесла (примерно в 100 раз слабее, чем магнит на холодильник), тогда как представляющие интерес магнитные аномалии обычно варьируются в пределах всего сотен нанотесла, что делает их примерно в 100 раз слабее поля ядра. Процесс извлечения значимых данных об аномалиях в какой-то степени аналогичен распознаванию сверхслабого непостоянного сигнала, некоторые общие характеристики которого приблизительно известны, но скрыты под гораздо более сильным и немного изменяющимся сигналом – классическая нетривиальная проблема в теории оценивания.
Для дальнейшего анализа объемных данных и сведения их к осмысленным результатам основная команда проекта недавно опубликовала 21-страничный документ, определяющий «сложную проблему», над которой должны работать как команда, так и сторонние специалисты. В документе «Улучшение сигнала для решения проблемы магнитной навигации» [5] проясняются многие вопросы и устанавливаются цели для решения этой сложной задачи фильтрации зашумленных, нелинейных, искаженных данных и применения многочисленных поправок. В результате магнитные сигналы Земли и самолета будут разделены, и, в свою очередь, будет получен чистый, скорректированный сигнал, который можно будет использовать для выполнения магнитной навигации.
Базовый анализ набора данных показывает, что аномалии магнитного поля Земли можно выделить из общего магнитного поля с помощью машинного обучения и обученной нейронной сети. Однако чтобы попытаться продемонстрировать осуществимость этого навигационного подхода, предстоит еще много работы, в том числе дополнительные летные испытания над различными регионами.
Станет ли MAGNAV жизнеспособной альтернативой или дублирующей заменой GPS? Очевидно, в настоящее время это не совсем ясно. Как бы то ни было, здесь есть некоторая историческая ирония, поскольку магнитный компас был одним из первых навигационных инструментов. Возможность использования прецизионных магнитометрических измерений аномалий поля Земли, наряду с подробными картами, в определенном смысле можно было бы рассматривать как весьма сложное, на много порядков величины, расширение компаса.