Nawigacja bez satelity. Powrót do korzeni dzięki fizyce kwantowej

Systemy nawigacji satelitarnej, czyli GNSS (Global Navigation Satellite Systems) to dziś podstawa funkcjonowania wielu dziedzin życia. Potocznie zwane GPS, od nazwy pierwszego powszechnie dostępnego dla użytkownika cywilnego systemu nawigacji, czyli amerykańskiego Global Positioning System, wykorzystywane są powszechnie w ruchu (lotniczym, morskim, samochodowym), geodezji i kartografii, systemach bezpieczeństwa, transporcie, rolnictwie, meteorologii, a nawet medycynie (śledzenie pozycji pacjentów, akcje ratunkowe), nie mówiąc już o szeroko pojętej rekreacji, rozrywce, zapewnianej przez smartfony.

Naukowcy proponują, by w przyszłości wprowadzić systemy nawigacji, przypominające stosowane w czasach przed satelitarnych układy bezwładnościowe, czyli bazujące na danych zbieranych przez takie czujniki jak akcelerometry, żyroskopy. Jednakże dużo dokładniejsze i mniejsze, przez co możliwe do implementacji w niewielkich urządzeniach. By je stworzyć musimy zagłębić się w świat fizyki kwantowej.

Satelity to rdzeń systemów nawigacji satelitarnej

Dokładne wyznaczanie pozycji względem środka masy Ziemi, która potem przekładana jest na dokładne współrzędne geograficzne lub położenie w innym arbitralnie przyjętym układzie odniesienia, stało się możliwe dzięki rozwojowi fizyki, komputerów, zdolności człowieka do dokładnego mierzenia czasu i odległości. Gdyby nie odkrycia Einsteina (teoria względności), nasza zdolność do umieszczenia na orbicie satelitów, to wciąż musielibyśmy polegać na starych sposobach orientacji w przestrzeni - najpierw były to gwiazdy, potem systemy radiowe, a w końcu układy bezwładnościowe.

Europejski satelita nawigacyjny Galileo drugiej generacji podczas montażu. To duże urządzenia, ale z perspektywy użytkownika, takiego jak posiadacz telefonu, nie jest to istotne. (fot: ESA)

Nasi rodzice, dziadkowie, jeśli w młodości podróżowali samolotem lub statkiem, to właśnie takim, którego załoga nie polegała na jednym z kilku dziś dostępnych systemów GNSS. W zasadzie obecnie to nawet nie interesujemy się z jakich satelitów korzystamy. Nie jest ważne czy jest to amerykański GPS, europejskie Galileo, chińskie BEIDOU, czy nawet rosyjski GLONASS, bo obsługa tych wszystkich systemów często jest razem zintegrowana w układach elektronicznych wspierających pozycjonowanie.

Satelita to także słaby element systemu nawigacji

Nie przejmujemy się tym jak działa nawigacja, bo przecież satelity krążą wokół Ziemi stale. Lecz satelity, które są rdzeniem systemów pozycjonowania satelitarnej, informacje potrzebne do określenia pozycji np. przez smartfon, wysyłają drogą radiową. A to oznacza, że jeśli pojawi się przeszkoda dla sygnału radiowego, nie da się precyzyjnie określić pozycji. I tak jest w istocie, gdy przebywamy w budynkach, zamkniętych przestrzeniach, głęboko pod ziemią (mogą to być np. służby ratunkowe poszukujące poszkodowanych), satelitarne pozycjonowanie jest mocno utrudnione, a nawet niemożliwe. Pomocne stają się wtedy pomocnicze techniki, które wykorzystują śledzenie pozycji nadajników radiowych takich jak Wi-Fi, ale ich skuteczność jest ograniczona.

Jest też aspekt bezpieczeństwa. Nawigacja satelitarna może być zakłócona, czego świadkami i to na terenie naszego kraju, byliśmy w ostatnich miesiącach. Winowajcą jest Rosja, dla której utrudnianie nie tylko działań wojskowych przeciwnika, ale tez pokojowej egzystencji, jest obecnie kluczowe w obliczu wojny w Ukrainie.

Dobra widoczność satelity, jest kluczowa dla poprawnego działania nawigacji wykorzystującej GNSS w telefonie. (fot: ESA)

Dobrze byłoby więc, gdybyśmy potrafili stworzyć system nawigacji, który jest precyzyjny, ale nie da się go zakłócić, bo jego działanie polega na pracy wewnętrznych systemów odseparowanych od otoczenia. Czyli, mówiąc krótko, potrzeba nam nawigacji bez satelity. Nie chodzi tu o kompletne wyeliminowanie satelitów GNSS, ale zmniejszenie ich roli, a tym samym podatności na zakłócenia. Bo w pracy nawigacji przeszkodą mogą być nie tylko działania militarne, ale też naturalne zjawiska jak wysoka aktywność Słońca (może ona zakłócić pracę, ale też permanentnie uszkodzić satelity).

Powrót do korzeni, dzięki własnościom atomów, receptą na niezawodnośc nawigacji

Wyobraźcie sobie, że jesteście w nieznanym miejscu. By zapamiętać drogą powrotną, gdy brakuje np. zegarka z funkcją drogi powrotnej (to samo z siebie wymaga wsparcia nawigacji satelitarnej), wykorzystujecie wizualne wskazówki jakimi są mijane budynki, albo po prostu zapamiętujecie liczbę skrętów, skrzyżowań, a potem odtwarzacie drogę w odwrotnej kolejności. Nieświadomie tworzycie własny system nawigacji, którego nie da się zakłócić radiowo, który nie wymaga satelity.

Gdyby smartfon był w stanie tak samo mądrze kontrolować przebytą drogę, dałby radę określić gdzie jesteśmy, jeśli choć raz na początku podróży przyjęty zostałby konkretny punkt odniesienia, czyli znana pozycja. Teoretycznie smartfon mógłby zbierać takie informacje, bo ma akcelerometry, żyroskopy, które pozwalają ocenić jak długo się poruszamy w danym kierunku, kiedy i jak skręcamy, ale zbierane przez nie dane nie są wystarczająco dokładne w porównaniu z tym co dostarczają satelity nawigacyjne. Wymaganą precyzję udostępniają wspomniane systemy nawigacji bezwładnościowej. Są to jednak urządzenia duże, wielkości szafy, więc w żaden sposób nadające się do wygodnego wykorzystania. Na dodatek ich precyzja także nie jest doskonała. A błędy pomiaru pozycji multiplikują się z czasem.

Jest jednak światełko w tunelu. Ten tunel jest niewielki, bo ma rozmiary porównywalne z rozmiarami atomów. Nad tak małymi akcelerometrami pracują naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kaliforni - Jonathan Habif i Justin Brown. Obecnie akcelerometry atomowe jakimi dysponujemy, wykorzystują lasery do wprowadzenia atomów w odpowiedni stan, a potem uzyskania odpowiedzi jak ruch mienił parametry odpowiadających im fal. Są duże, więc nieużyteczne, tak jak systemy bezwładnościowej nawigacji, poza laboratorium. Mają jednak jedną zaletę, są niesamowicie precyzyjne. Podobnie mówimy także o zegarach kwantowych, z których dokładnością nie może równać się żaden inny znany naszej nauce czasomierz.

W ostatnich dekadach zdołaliśmy przenieść do mikroświata takie technologie jak właśnie akcelerometry, żyroskopy, które są dziś częścią układów elektronicznych w telefonach. Coraz odważniej radzimy sobie na polu kwantowych rozwiązań, dlatego praca wspomnianych naukowców nie jest skazana na niepowodzenie. Wręcz przeciwnie, raczej kwestią czasu (choć trudno powiedzieć, jak odległa będzie to przyszłość), a nie możliwości, jest skonstruowanie kwantowych urządzeń do dokładnego określania kierunku ruchu i pokonanego dystansu, które nie wymagają dużej przestrzeni ani wielkich systemów zasilania.

Z pewnością pierwszym beneficjentem takich odpornych na zakłócenia systemów nawigacji, będzie sektor militarny, ale kiedyś może i nam będzie dane cieszyć się pozycjonowaniem, które działa precyzyjnie nawet głęboko w eksplorowanej przez grotołaza jaskini.

Źródło: USC, inf. własna