Российские ученые создали геомагнитный сенсор, способный стать альтернативой ГЛОНАСС под водой. В этих условиях навигация с помощью привычной для наземного транспорта системы не возможна.Нечувствительный к колебаниям температуры прибор может обеспечить подводные аппараты, в том числе беспилотники, точными координатами. Также его планируют применять для поиска полезных ископаемых и исследования процессов внутри Земли.
Сегодня для ориентирования и навигации в России в основном используют спутниковую систему ГЛОНАСС. Однако в воде электромагнитные волны быстро затухают, и связь со спутником обрывается. Но если на подводных лодках направлением движения занимается штурман с помощью целой системы средств, то беспилотные аппараты нуждаются в постоянной связи с навигационной системой для поддержания заданного маршрута следования.
Альтернатива ГЛОНАСС — использование для ориентирования под водой геомагнитных сенсоров. В этом случае местоположение объекта определяется точкой на геомагнитной карте, которая привязана к географической. Сама идея ориентирования по магнитному полю Земли известна давно. Различные типы сенсоров магнитных полей были разработаны несколько десятков лет назад. Их минусы — недостаточная чувствительность к слабым геомагнитным полям и высокая чувствительность к температуре, что может привести к ошибкам в измерениях на борту подводного аппарата. Ученые из Саратовского государственного университета решили эту проблему.
Общий принцип работы их сенсора основан на чувствительности материала под названием феррит к очень слабому магнитному полю, которое окружает Землю. Его значения крайне малы и составляют порядка половины эрстеда (единица измерения напряженности магнитного поля. — «Известия»). Для сравнения: всем известные магниты на холодильник создают поля порядка 2–7 тыс. эрстед. При изменении внешнего магнитного поля в сенсоре частота так называемого ферромагнитного резонатора (части прибора) становится другой. Посредством математической обработки она преобразуется в величину магнитного поля — конечный результат измерений сенсора.
Российские физики реализовали данный принцип на практике, устранив погрешности работы прибора из-за колебаний температуры и создав действующий лабораторный прототип устройства.
— Чтобы устройство работало, резонатор сначала нужно намагнитить зависящей от температуры системой постоянных магнитов, — рассказал профессор кафедры инноватики Саратовского государственного университета Владимир Тихонов. — Однако с ростом температуры частота резонатора ползет вверх, что искажает результат измерений прибора. Но в нашем приборе с ростом температуры уменьшается и характеристика под названием остаточная намагниченность, тем самым способствуя снижению частоты резонатора до нормального значения. Таким образом, изменение одной величины компенсирует изменение другой. Устройство будет стабильно работать в диапазоне от минус 50 до плюс 40°C.
Учли физики и тот факт, что значение напряженности магнитного поля меняется в зависимости не только от положения на поверхности Земли, но и от глубины или высоты. Они предложили использовать три геомагнитных сенсора, каждый из которых проводит измерения по своей координате. На данный момент ученые уже испытали лабораторный макет датчика. Результаты эксперимента показали, что он обеспечивает высокую точность измерения как величины, так и направления поля.
Сложность навигации по геомагнитным датчикам заключается в том, что для этого нужна максимально точная карта магнитного поля Земли. А ее получение — задача непростая. Магнитное поле на поверхности Земли вполне могут измерить специальные спутники. Однако намагниченность земной коры и залежи некоторых полезных ископаемых меняют это поле довольно сильно, хотя и на небольших площадях. Эти изменения спутники, располагающиеся на большой высоте, зафиксировать не способны. Поэтому для составления карт необходимо дополнительно проводить измерения магнитного поля на поверхности или на малых высотах (аэромагнитная съемка), буквально на каждом километре, включая и области над водой.
— Последние работы по составлению карты магнитного поля Земли проводились в СССР в 70-е годы, — отметил руководитель отделения магнетизма Земли и планет Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Валерий Петров. — Конечно, значения аномального магнитного поля с того времени сильно не изменились, но вот точность этих карт я бы поставил под сомнение. Так что пока работа саратовских ученых носит скорее фундаментальный характер, нежели прикладной. Однако с появлением новых, более точных карт геомагнитная навигация может стать достойным подспорьем спутниковой.
Применение геомагнитных сенсоров осложнено также тем, что напряженность геомагнитного поля в одной и той же точке со временем может поменяться из-за природных и техногенных причин. Впрочем, для построения и корректировки карт можно использовать те же самые геомагнитные сенсоры.
Практики оценивают возможность навигации подводных аппаратов с помощью геомагнитных сенсоров скептически.
— Существуют более простые и дешевые системы навигационного обеспечения маневрирования необитаемых подводных аппаратов в подводном положении, — сказал ветеран-подводник Владимир Ашик. — Например, с помощью лежащих на грунте маяков-ответчиков, координаты которых заведомо известны. Подводный аппарат определяет пеленг и наклонную дальность до нескольких маяков-ответчиков и, решая несложное уравнение, рассчитывает свои координаты. Другим способом может быть применение подводной навигационной системы с короткой или длинной базой.
Ветеран-подводник добавил, что постоянная и оперативная корректировка возмущений геомагнитных полей требует наличия обширного надводного флота, которого сегодня у нас нет.
— Поэтому не думаю, что предложенную систему можно будет применять на практике в подводной навигации, — сообщил Владимир Ашик.
Впрочем, у геомагнитных сенсоров есть ряд применений помимо навигации. Например, с их помощью можно регистрировать координаты залежей железной руды — в этих местах наблюдается сильное искажение магнитного поля. Пригодятся измерения и для фундаментальных научных исследований. Дело в том, что геомагнитные полюса Земли значительно смещаются, и изучение этого движения важно для понимания процессов, происходящих внутри планеты.
В планах авторов разработки — начать решать задачу по геомагнитной локации. По мнению физиков, по искажениям магнитного поля можно будет засекать появление корабля в море, определять его местонахождение и направление движения.