Концепция создания и применения помехозащищенных систем автономной навигации по геофизическим полям

В последние годы во ФГУП «ВНИИФТРИ» получен большой задел по системам автономной навигации (САН) по геофизическим полям, в том числе по традиционным и квантовым датчикам гравитационного поля Земли (ГПЗ) и его магнитного поля (МПЗ). Как известно, основой САН являются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), погрешность измерений которых накапливается со временем, и на протяженных трассах движения их показания необходимо корректировать. В условиях интенсивных радиоэлектронных помех глобальность и устойчивость системы коррекции БИНС можно обеспечить путем измерения на борту подвижного средства текущих параметров ГПЗ и МПЗ. Помехи для систем навигации, использующих БИНС и геофизические датчики, создать невозможно. В разработанной Концепции рассмотрены проблемы создания САН по нескольким направлениям.

Обоснование и перспективы реализации требований к точности САН. Исследования авторов показывают, что для обеспечения точности навигации в сотни метров на холмистом рельефе погрешность бортовых гравиметров не должна превышать 1 мГал. Для «бесшовной» навигации, сравнимой с точностью системы ГЛОНАСС, погрешность гравиметров должна быть на 1–2 порядка меньше. Высокоточные мобильные гравиметры пока не созданы, однако исследования показывают потенциальную достижимость требуемой точности.

Фундаментальное обеспечение геофизических САН требует создания высокоточных моделей ГПЗ и МПЗ. Вместе с тем, пространственное разрешение современных моделей этих полей не соответствует предъявляемым требованиям (единицы – десятки метров). Кроме того, необходимо создание высокоточной высотной основы на всем пространстве навигации. Авторы предлагают создание единой высотной основы на базе сети квантовых нивелиров на основе квантовых часов, объединенных в сеть «Квантовый футшток». При этом в качестве центрального хранителя времени и частоты сети предлагается создание ядерного стандарта с нестабильностью 10^-19. Наконец, необходимо повысить точность измерения фундаментальной гравитационной постоянной, относительная погрешность которой составляет 10^-5, что недостаточно.

Создание средств подготовки навигационных карт. Современные наземные комплексы подготовки гравитационных карт включают лазерные абсолютные баллистические гравиметры, высокоточные относительные гравиметры (ВОГ), а также высокоточные астроизмерители уклонения отвесных линий. Во ФГУП «ВНИИФТРИ» разрабатываются и испытываются новые носимые гравиметрические приборы приемлемой точности: ВОГ «Пешеход», а также горизонтальный градиентометр. Кроме того, завершается создание абсолютного квантового атомного гравиметра на холодных атомах «фонтанного» типа, который характеризуется более высокой оперативностью измерений. Снижение весов и габаритов квантовых гравиметров возможно на основе холодных атомов в состоянии Бозе-Эйнштейна конденсата, однако эти работы находятся в стадии постановки. Главной проблемой применения всех перечисленных гравиметров на борту транспортного средства является зависимость их показаний от дорожных и воздушных вибраций, для чего необходима разработка специальных средств компенсации. Особо следует выделить космические средства подготовки гравиметрических карт, которые в РФ пока не созданы. ФГУП «ВНИИФТРИ» инициативно разрабатывает и испытывает космические средства на основе сигналов ГЛОНАСС, а также на основе лазеров.

Создание бортовых гравиметров и магнитометров. К бортовым датчикам геофизических полей подвижных объектов предъявляются весьма противоречивые требования по точности, габаритам и весам. В РФ имеется задел по высокоточным квантовым магнитометрам, однако следует работать над уменьшением их весов и габаритов. Существующие механические гравиметры и градиентометры удовлетворяют пока лишь требованиям малодинамичных объектов навигации. По мнению авторов, создание малогабаритных гравиметров, удовлетворяющих требованиям высокодинамических объектов по точности и габаритам, возможно на пути создания квантовых датчиков ускорений, в частности оптических, основанных на использовании лазерных интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо. При этом возможно как создание бесплатформенных гравиметров, так и повышение точности классических БИНС.

Метрологическое обеспечение геофизических САН предполагает расширение состава гравиметрических эталонов, а также создание лабораторных и полигонных комплексов метрологических испытаний геофизических САН.

Концепция предполагает создание Комплекса нормативно-технического обеспечения САН, а также разработку квантовых датчиков в специальном Квантовом центре, создаваемом на территории ФГУП «ВНИИФТРИ».

Реализация Концепции предполагает поэтапность (в течение 2–3 пятилеток) на базе широкой кооперации институтов РАН, а также НИИ, промышленных предприятий и других ведомств.