Звездный и квантовый навигаторы: как не потеряться без GPS

В современном городе невозможно потеряться – есть навигатор, да и можно спросить у прохожего. А вот что делать в лесу, особенно, когда нет сигнала? Ученые уже придумали системы, по которым можно двигаться в верном направлении без привязки к наземным объектам, без радиосигналов и без участия магнитного поля Земли. О том, как они работают, рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ. 

За что отвечает гироскоп на борту самолета 

В марте 2019 году, спустя шесть минут после взлета из столицы Эфиопии, рухнул самолет. Погибли 157 человек. В октябре 2018-го в Индонезии над Яванским морем потерпело крушение воздушное судно. Все 189 человек на борту погибли. Обе авиакатастрофы произошли с одной и той же новой версией известного лайнера. А причиной крушения и в том, и в другом случае стал сбой в системе навигации – ошибочная работа датчика угла атаки.

"Обычно этот датчик находится сбоку от носа самолета. Он ловит встречный поток воздуха, подстраивается под него и отправляет данные в компьютер. Но в Индонезии и Эфиопии этот прибор вышел из строя и сообщил системе автопилота, что самолету нужно пикировать. И он пикировал. Этого, вероятно, не произошло бы, если бы на борту стоял современный гироскоп", – считает профессор факультета компьютерных наук Политехнического института Ренсселера Гао Цзянси. 

Именно гироскоп отвечает за положение самолета в пространстве, а еще удерживает его устойчивый курс. Такой прибор должен стоять на каждом лайнере, ведь он – часть инерциальной навигационной системы. С помощью этой системы определяют координаты и параметры движения судна без привязки к внешним сигналам, таким как GPS. Оказывается, спутниковая связь – это не основная навигация, а дополнительная. За полетом самолета следят больше 100 датчиков и приборов на борту. 

Как работает квантовый навигатор 

А ведь подлодки тоже не обходятся без инерциальной навигации. Субмарины ориентируются в пространстве при помощи так называемой системы инерциальной навигации – это десятки приборов, один из которых – гироскоп. Вот только на работу этого устройства могут повлиять шум мощных моторов, вибрации или даже брачные игры китов. Чтобы не сбиться с курса, подводной лодке придется всплыть и поймать сигнал GPS.

Во время боевого дежурства любое всплытие – риск быть обнаруженным противником, поэтому австралийские физики придумали, как без GPS и без сбоев ориентироваться под водой. В этом поможет квантовый навигатор – он не реагирует на ту же эхолокацию китов. 

"Квантовый навигатор – это алмазный куб. Он состоит из углеродных решеток, в которых есть атомы азота. Куб просвечивают лучом лазера, и в этот момент атомы испускают красный свет. Интенсивность света зависит от воздействия магнитного поля Земли. Алмаз способен зафиксировать аномалии этого поля и определить их местонахождение по заранее созданным картам", – говорит доктор физических наук, соавтор проекта квантового навигатора Андрэ Карвальо.

Особенности мюонной навигации 

В Японии спрашивать точное направление решили не у магнитного поля Земли, а у мюонов. Это намного дешевле, чем собирать квантовый навигатор из алмаза, пусть даже искусственного.

"Мюоны – это частицы космических лучей, которые возникают при их столкновении с атмосферой Земли. Они пронизывают каждый квадратный метр планеты и всегда движутся одинаково с одной и той же скоростью, независимо от того, через какую материю они проходят, горную породу или стену здания", – объяснил руководитель исследований международного мюонного коллайдера Дэниэл Шульте. 

Ученые Токийского университета использовали мюоны как систему координат. Для этого разработчики собрали четыре детектора и установили их в здании на шестом этаже, а пятый датчик дали в руки ученому, который перемещался по подвалу. Устройства регистрировали прохождение мюонов, а затем синхронизировали данные под землей и с поверхности. 

"Детекторы можно сравнить со спутниками GPS – они отслеживают путь частиц и строят карту. Сами детекторы состоят из камер, наполненных газом. Мюоны, сталкиваясь с молекулами газа, испускают фотоны, которые и регистрируются детектором. По количеству фотонов можно рассчитать энергию и траекторию движения частиц", – подчеркнул доктор технических наук, соавтор разработки подземной системы навигации Аки Накао. 

Ученые обещают, что скоро мюонное приложение будет в каждом смартфоне. Вот только пока погрешность данных целых два метра – так можно легко пропустить нужный поворот.

Российский навигатор для незрячих людей 

Есть люди, которые могут потеряться в самом знакомом месте – по той простой причине, что они не видят, куда идут. Но российские разработчики придумали навигатор для незрячих людей. 

"Автомобиль, автомобиль, автомобиль" – устройство подсказывает мне, что впереди меня действительно автомобиль. Если я включаю ультразвуковой датчик, то, когда я приближаюсь к автомобилю, устройство ощутимо вибрирует у меня в руках", – поделился подробностями генеральный директор лаборатории-разработчика электронной трости для незрячих людей Денис Кулешов. 

Камера с датчиками видит предметы и через наушник сообщает человеку, что перед ним. Устройство отправляет ультразвуковые импульсы перед собой. Если какой-то объект слишком близко и в него можно врезаться, навигатор предупредит вибрацией. 

"Ультразвук – это тоже волна, как и наша с вами речь, как и музыка. Поэтому, как только устройство генерирует эту волну на очень высоких частотах, она идет вперед. Как только волна встречает препятствие, она отражается и идет назад в устройство. Устройство измеряет скорость и время, за которое волна преодолела это расстояние, и вычисляет, сколько, метров, сантиметров до объекта впереди нас", – объяснил Кулешов.

Благодаря встроенному искусственному интеллекту камера различит больше полусотни предметов. Кроме того, узнает друзей и родных людей – для этого достаточно загрузить фотографии близких в систему. 

Звездный навигатор для ориентации в космосе 

Но как не потеряться в открытом космосе, где подобные параметры просто не существуют? Ученые из немецкого города Йена собрали звездный навигатор, который станет глазами аппарата и не даст ему заблудиться в космосе.

"На корабль для лунной миссии "Артемида" мы установили два сенсорных датчика. Фотокамеры этих устройств делают 10 черно-белых снимков в секунду, а встроенная программа сразу же сравнивает их со звездными картами. Таким образом определяется местоположение аппарата относительно космических тел и путь его движения. Поскольку во Вселенной могут происходить изменения, навигационная система работает непрерывно", – рассказал представитель компании-разработчика космической навигации Беноит Гелин. 

Звездный навигатор в будущем хотят использовать для полетов на Марс. 

О самых невероятных достижениях прогресса, открытиях ученых, инновациях, способных изменить будущее человечества, смотрите в программе "Наука и техника" с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.