В прошлом месяце группе хакеров удалось проникнуть в систему корабельного трекинга и вывести на экран слово «pwned», которое на хакерском языке означает успешный взлом. А летом студенты Техасского университета нашли способ увода кораблей с курса, используя ложные сигналы GPS.
Естественно, это не означает, что военные не работают над усилением шифрования GPS-оборудования, которое в свое время разрабатывалось таким образом, что защита не стояла в приоритете. Глава научно-исследовательского подразделения Пентагона Эл Шаффер (Al Shaffer) отметил, что в настоящий момент защита GPS входит в число важных вопросов, требующих решения.
«С появлением современной электроники процесс генерирования GPS-помех становится все проще и проще. Наш военный сектор во многом зависит от технологии GPS, и большинство нашего оружия требует высокоточной синхронизации», добавил Шаффер.
Он также упомянул ведение разработок в области инерциальных измерительных блоков (IMU), которые могут стать возможным решением проблемы. Инерциальные измерительные блоки не являются новой разработкой и изучались еще до появления GPS, но именно сейчас они заслуживают пристального внимания.
Идея заключается в том, что в инерциальном блоке используются три гироскопа и три акселерометра, рассчитывающие направление и изменение скорости. Если задать начальную точку, то данные механизмы могут дать информацию об относительном движении и указать на то, куда двигается объект.
В 2009 году Андрей Шкель (Andrei Shkel) начал изучать более серьезное использование инерциальных измерительных блоков для нужд американского агентства DARPA (US Defense Advanced Research Projects Agency), где он работал менеджером по программе микротехнологий для позиционирования, навигации и синхронизации.
Он сосредоточил свое внимание на одной из самых серьезных проблем: использовании блоков IMU в ракетах. Сложность заключалась в том, что блоки должны быть одновременно компактными и недорогими, ведь впоследствии они должны быть уничтожены.
Ранее инерциальные измерительные блоки уже использовались, но они могли обеспечивать точность локационных данных лишь на протяжении 20 секунд, поэтому применялись в качестве запасного средства на случай временной потери GPS-сигнала.
Шкель хотел понять, может ли блок сохранять точность данных на протяжении полета ракеты. Его исследование показало, что 70% ракет летит не более трех минут, а 98% - не более двадцати минут.
«Из этого следовало, что у нас есть высокоточные инерциальные инструменты, которые, вероятно, смогли бы решить проблему в 100% случаев, но при больших затратах. Нельзя поставить инерциальный измерительный блок стоимостью в миллион долларов на ракету, стоимость которой ниже. Мощные и недорогие устройства по размерам сопоставимы с яблоком. Но для того, чтобы решить проблему, нужно создать устройство размером с яблочное зернышко», рассказал Шкель.
Во многом им это удалось. Шкель и его коллеги, используя полупроводниковую технологию, создали систему, которая смогла обеспечивать высокоточные данные на протяжении трех минут, ее размеры не превышали кусок монеты, а предполагаемая стоимость при производстве составляла менее $1000.
Данная система могла бы использоваться на 70% ракет, но команда специалистов решила пойти дальше и понять, где еще можно было бы найти ей применение. В результате они создали систему, в которой инерциальный измерительный блок можно было разместить в ботинке, а для калибровки системы использовались начало и конец шага.
«Когда вы идете и касаетесь земной поверхности, сенсоры проходят через точку нулевой скорости. Если использовать это явление для сброса данных сенсора, то можно сохранять точность на протяжении четырех часов», сказал Шкель.
Из-за ограниченной продолжительности действия такие системы использовались, в основном, в качестве дополнительных, работая совместно с GPS. Это имеет смысл, ведь GPS и инерциальные блоки можно использовать для постоянного сравнения данных, чтобы увидеть, когда на работу системы GPS оказывается внешнее воздействие.
Принцип атомов
Сейчас для того, чтобы расширить возможности инерциальных систем, Шкель собирается объединить их данные с данными, полученными другим методом, в котором используются Ларморовы частоты атомов для распознавания движения.
Идея заключается в том, что можно определять изменения магнитного поля атома, используя лазеры во время движения атома. У данного метода есть большое преимущество – он сохраняет высокую точность на протяжении длительного периода времени и на большом расстоянии, ведь в данном случае измерения не подвергаются воздействию внешних магнитных полей. Системы, использующие данный метод, получили название Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigators, или сокращенно C-SCAN.
Недостаток атомных измерений – они недостаточно хорошо реагируют на внезапные движения. Но это не проблема, если в паре используется инерциальный измерительный блок.
Шкель отметил, что сочетание быстрого реагирования и способности расчета большого динамического диапазона позволит увеличить продолжительность миссий.
В такой связке технологии позволят практически любой ракете поразить свою цель, а в сочетании с алгоритмическими данными они позволят солдату на протяжении длительного времени оставаться без сигнала GPS. По словам Шкеля, сейчас это примерно 4 часа, но в дальнейшем это время могут увеличить до нескольких дней.
Больше всего Шкеля заботят финансирование и заинтересованность. Тревогу у него вызывает и история развития инерциальных систем. Ведь в свое время, а именно в 60-х и 70-х годах прошлого века, таким системам уделялось много внимания, но появилась технология GPS и инерциальные сенсоры оказались ненужными. Через 30 лет люди начали беспокоиться о надежности GPS, еще 20 лет уйдет на борьбу с GPS-помехами и спуфингом в военных областях.
При всем своем развитии описанная технология еще не достигла стадии производства. И вот здесь науке может помочь коммерческая сторона навигации, которая должна привлечь к себе внимание.
01.11.2013