MagNav: nawigacyjna alternatywa dla GPS staje się realna

Rozwiązania do nawigacji w oparciu o mapy anomalii pola magnetycznego Ziemi to postulowana, ciekawa alternatywa dla nawigacji opartej na systemach GNSS. Rozwiązanie australijskiej firmy Q-CTRL, oparte na magnetometrach wykorzystujących zjawiska kwantowe, czyni wreszcie tę alternatywę realną i dostępną.  

W trakcie letniej kanikuły miałem szansę spotkać się w studio radia Wnet z prof. Konradem Banaszkiem, założycielem i liderem zespołu Centrum Kwantowych Technologii Optycznych (QOT) Uniwersytetu Warszawskiego. Rozmowa dotyczyła braku strategii kwantowej w Polsce, obejmującej różne obszary i domeny zastosowania technik kwantowych (nie tylko związanych z „komputerami kwantowymi”, na które niewątpliwie istnieje hype). Poprosiłem na koniec o zarekomendowanie kilku przykładów „kwantowych” odkryć i aplikacji ich w technologiach, które mają szansę znaleźć szerokie zastosowanie. Profesor podpowiedział kilka tropów, a jednym z nich, jest efektywna nawigacja oparta na anomaliach pola magnetycznego Ziemi; wydaje się, że pojawiły się przełomowe rozwiązania…

W kwietniu br. badacze z australijskiej firmy Q-CTRL opublikowali artykuł https://arxiv.org/html/2504.08167v1 przedstawiający ich przełomowe prace nad nawigacją magnetyczną (Magnetic Anomaly Navigation – MagNav) „wspieraną” wykorzystaniem zjawisk kwantowych.

Autorzy przedstawili całościowy system obejmujący opatentowane magnetometry kwantowe i nowatorskie algorytmy odszumiania oraz dopasowywania map. Badania terenowe, przeprowadzone zarówno w powietrzu, jak i na ziemi, wykazały, że ich MagNav zapewnia znacznie wyższą dokładność pozycjonowania niż strategicznej klasy inercyjne systemy nawigacyjne (INS), nawet w trudnych warunkach. System ten potrafi uczyć się online charakterystyki pojazdu bez specjalnych manewrów kalibracyjnych i jest odporny na zmiany konfiguracji czy szerokości geograficznej, co czyni go praktycznym rozwiązaniem dla zastosowań obronnych i cywilnych.

Tym samym jest to obiecująca alternatywę dla systemów GNSS (takich jak GPS), często podatnych na zakłócenia. Skąd jednak potrzeba takiej alternatywy?

Jak działa MagNav?

Współczesne systemy nawigacyjne w dużej mierze opierają się na GNSS (Global Navigation Satellite Systems), które często bywa niedostępne lub zawodne, na przykład z powodu zakłócania sygnału (jamming) lub podszywania się (spoofing).

W naszym najbliższym sąsiedztwie i na naszym terytorium systematycznie operacje zakłócania i fałszowania sygnału GPS prowadzi Rosja. Dotyczy to regionu Bałtyku, stref przygranicznych krajów NATO. Pomorze Gdańskie i północne regiony Polski doświadczają codziennych zakłóceń GPS, co minister Krzysztof Gawkowski nazwał te działania elementem „wojny hybrydowej” prowadzonej przez Rosję. Estonia informuje o ciągłych zakłóceniach od czerwca 2023 r. wzdłuż granicy z Rosją – cztery stacjonarne zagłuszarki zainstalowane między Narwą a Petersburgiem powodują straty przekraczające 500 tys. euro w sektorze bezpieczeństwa wewnętrznego. Litwa zanotowała w czerwcu 2025 aż 1022 przypadki zakłóceń GPS dla lotnictwa, w porównaniu do 46 w analogicznym okresie roku poprzedniego; źródła zakłóceń wskazano w Królewcu. Finnair w kwietniu 2024 r. zawiesił loty z Helsinek do Tartu (Estonia) z powodu zakłóceń GPS przypisywanych rosyjskim nadajnikom elektronicznym. Chiny natomiast były powiązane z dostarczaniem sprzętu do spoofingu w południowoazjatyckiej przestrzeni powietrznej oraz samodzielnie przeprowadziły lokalne operacje jammingowe w cieśninie Tajwańskiej.

Przykładów jest oczywiście więcej. Oznacza to konieczność opracowania niezawodnych systemów nawigacji zapasowej, które mogłyby wspomagać (skłonne do dryfu) inercyjne systemy nawigacyjne (INS). Alternatywy poszukuje się m.in. wśród rozwiązań nawigacji magnetycznej. MagNav to pasywne, odporne na zakłócenia rozwiązanie nawigacyjne, które wykorzystuje pomiary lokalnych anomalii skorupy ziemskiej pola magnetycznego i porównuje je ze znanymi mapami anomalii, aby określić pozycję. Te anomalie są stabilne w czasie i wynoszą około 10-100 nanotesli (nT) na kilka kilometrów, w przeciwieństwie do znacznie większego pola ziemskiego (25 000-65 000 nT).

System nawigacji magnetycznej mimo swoich zalet, takich jak pasywność i odporność na zakłócenia, posiada kilka istotnych słabości i wyzwań. Są to:

• Brak powszechnej dostępności map magnetycznych. Mapy magnetyczne nie są dostępne wszędzie, a ich jakość i zasięg mogą być ograniczone, zwłaszcza na oceanach. Publicznie dostępne globalne mapy mają ograniczoną rozdzielczość (np. 2 minuty kątowe, czyli około 3 km) i są podane na wysokościach referencyjnych, co ogranicza ich użyteczność (np. 6 km). Dodatkowo, jako że są to zbiory harmonizowanych pomiarów, z których niektóre wykonano przed erą GNSS, ich błędy mogą być znaczące.
• Mniejsza precyzja w obszarach o małych zmianach magnetycznych. Aktualizacje pozycji mogą stać się mniej precyzyjne w regionach, gdzie występuje niewiele lub brak zmian pola magnetycznego (tzw. „reliefu anomalii magnetycznych”).
• Wpływ ekstremalnych zdarzeń słonecznych. Rzadkie, ale niezwykle silne zdarzenia słoneczne mogą maskować cechy magnetyczne, co może wpłynąć na dokładność nawigacji.
• Wymagania dotyczące sprzętu (magnetometrów). Od początku konstruktorzy MagNav borykali się z koniecznością opracowania kompaktowych rozmiarów magnetometrów o wystarczającej czułości i stabilności, które nie cierpiałyby na dryft, szum, znaczące błędy kursu ani niestabilność danych.
• Wysoki poziom szumu platformy. Interferencje magnetyczne pochodzące z samej platformy (np. samolotu, pojazdu) mogą być od 100 do 1000 razy większe niż docelowe anomalie magnetyczne, znacznie redukując dokładność MagNav. Konieczne są więc skuteczne algorytmy odszumiania.
• Złożoność algorytmów fuzji danych. Potrzebny był także rozwój algorytmów do ekstrakcji optymalnych informacji z zaszumionych pomiarów magnetometru i fuzji tych danych z innymi systemami nawigacyjnymi (np. INS).
• Potrzeba rozległej kalibracji i treningu. Wcześniejsze systemy MagNav często wymagały rozległej kalibracji algorytmów, np. specjalnych manewrów pojazdu po trajektorii w kształcie koniczyny czy kwadratu na początku każdego lotu lub pozyskiwania obszernych danych treningowych przed rozpoczęciem nawigacji.
• Brak odporności na zmiany konfiguracji. Algorytmy pozycjonowania MagNav były historycznie podatne na zmiany w konfiguracji pojazdu, ładunku, szerokości geograficznej, wysokości czy lokalizacji czujników.
• Dopasowanie map i efekty czasowe. Wyzwaniem było również uwzględnianie niedoskonałości wynikających z dopasowywania map anomalii do wysokości oraz integracja realistycznych efektów zmiennych w czasie, takich jak pogoda kosmiczna i dzienne wahania pola magnetycznego.

Ograniczenia te można stopniowo identyfikować i niwelować algorytmami czy cechami sprzętu; istnieje również możliwość potencjał integracji MagNav z innymi, komplementarnymi rozwiązaniami nawigacyjnymi (np. optycznymi) w celu poprawy niezawodności i zakresu zastosowań.

Przełom w MagNav?

Istotą nowatorskiego podejście do projektowania MagNav przez Q-CTRL jest połączenie innowacji na poziomie sprzętu i oprogramowania. Firma stworzyła system MagNav, obejmujący własne rozwiązania sprzętowe oraz oprogramowanie, w tym algorytmy odszumiania magnetycznego i dopasowywania map.

Magnetometry Q-CTRL charakteryzują się wysoką czułością poniżej 80 fT/√Hz (femtotesli na pierwiastek z herca), kompaktowymi rozmiarami (144 cm³ objętości, waga ok. 70g) i niskim zużyciem energii (< 15W). Są one odporne na wibracje (testowane do 5.7g) i stabilne w szerokim zakresie temperatur.

Z kolei algorytmy oprogramowania opracowane przez Q-CTRL łączą procesy odszumiania i dopasowywania map. Nowatorskie podejście do odszumiania magnetycznego i dopasowywania map integruje te procesy w jednym kroku, a iteracyjny filtr oblicza korekty nawigacyjne w czasie rzeczywistym, z aktualizacjami do 250 Hz. Algorytm wykorzystuje model oparty na fizyce do uczenia się i adaptacyjnego aktualizowania zachowania magnetycznego platformy, co pozwala skutecznie usuwać szum platformy i poprawiać dokładność pozycjonowania.

Jedną z kluczowych innowacji Q-CTRL jest zdolność ich algorytmów do działania w trybie „zimnego” (bez wcześniejszej wiedzy o platformie) lub „gorącego” startu (z wykorzystaniem danych z poprzednich misji), bez potrzeby specjalnych manewrów kalibracyjnych (w przypadku MagNav to manewry po obrysie koniczyny lub kwadratu) czy obszernych danych treningowych. To zdecydowanie zwiększa ich praktyczność i odporność na zmiany konfiguracji pojazdu, ładunku czy szerokości geograficznej.

Q-CTRL przeprowadziło udane testy w terenie, zarówno w powietrzu (na samolocie Cessna 208B Grand Caravan, na wysokościach do 5,8 tys. metrów), jak i na ziemi (w standardowym dostawczym vanie), w rzeczywistych warunkach operacyjnych. Rozwiązanie osiąga do 46 razy lepszą dokładność pozycjonowania niż INS wspomagany prędkością. Najlepsza osiągnięta dokładność pozycjonowania w teście lotniczym wyniosła 22 metry, zaledwie 0,006% pokonanej odległości. W próbach naziemnych, przeprowadzonych w trudnych warunkach (poziom szumów magnetycznych w pojeździe do 30 000 nT), MagNav zapewnił około 7 razy lepszą dokładność pozycjonowania niż INS.

Firma odnotowała także pierwsze udane testy naziemne MagNav z wykorzystaniem publicznie dostępnych map anomalii magnetycznych, co ma kluczowe znaczenie dla masowego wdrożenia w transporcie publicznym i indywidualnym.

System Q-CTRL jest na tyle mały, że może być zintegrowany z dronami stałopłatami lub awioniką komercyjnych samolotów, a także jest odpowiedni do rozwiązań typu „drop-in”, co oznacza łatwość wdrożenia. Algorytmy systemu uczą się parametrów modelu online bez konieczności specjalnych manewrów pojazdu służących kalibracji. To zapewnia odporność wobec zmian konfiguracji, np. zmian w ładunku, trajektorii lotu czy szerokości geograficznej.

MagNav jest też całkowicie pasywny, a więc odporny na zakłócenia i podszywanie się, działa niezależnie od warunków pogodowych, przeszkód wizualnych czy pory dnia, oraz w obszarach pozbawionych wyraźnych cech, takich jak oceany czy pustynie.

Zjawiska kwantowe

O przełomowych właściwościach systemu MagNav opracowanego przez Q-CTRL decyduje wykorzystanie zjawisk kwantowych w magnetometrach optycznie pompowanych, które stanowią kluczowy element sprzętowy systemu. Jak wyjaśniają autorzy artykułu, magnetometry Q-CTRL bazują na optycznej detekcji precesji spinów atomowych. Oznacza to, że wykorzystują one właściwości kwantowe atomów (konkretnie ich spiny, które posiadają moment magnetyczny) do pomiaru zewnętrznego pola magnetycznego.

Proces ten odbywa się w komorze parowej zawierającej atomy rubidu w gazie buforowym. Atomy rubidu są „pompowane” optycznie (czyli naświetlane światłem o określonej długości fali), co powoduje, że ich spiny orientują się w określony sposób. Następnie mierzy się, jak te spiny precesują (obracają się) pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego Ziemi. Częstotliwość tej precesji jest proporcjonalna do siły mierzonego pola magnetycznego. Dzięki temu magnetometry Q-CTRL osiągają wspomnianą wyjątkowo wysoką czułość absolutną, wynoszącą mniej niż 80 fT/√Hz w polu magnetycznym Ziemi. Ta czułość jest kluczowa dla identyfikacji bardzo małych, lokalnych anomalii magnetycznych Ziemi (rzędu 10-100 nT), które są wykorzystywane do nawigacji. Wcześniejsze rozwiązania MagNav były ograniczone przez wydajność magnetometrów.

Magnetometry te zostały przy tym przetestowane pod kątem odporności na wibracje do 5.7 g i wykazują stabilność działania w zakresie temperatur od -30°C do 50°C. To podkreśla ich wytrzymałość w rzeczywistych warunkach operacyjnych.

Testy w terenie

Wspomniane testy Q-CTRL objęły ponad 6700 km lotów na różnych wysokościach (od poziomu gruntu do 5,8 tys. m) oraz próby naziemne w samochodzie. Q-CTRL przeprowadził testy naziemne w standardowym samochodzie dostawczym (wynajętym vanie), umieszczając go w konfiguracji „strapdown” w przestrzeni ładunkowej. Testy naziemne odbyły się w ekstremalnie głośnym środowisku magnetycznym – wewnątrz vana zmierzony szum magnetyczny osiągał do 30 000 nT, co stanowiło niekorzystny stosunek szumu do sygnału wynoszący około 50:1. Mimo to, system MagNav był w stanie dostarczyć 7-krotnie lepszą dokładność pozycjonowania niż system INS na końcu 17,5 km trasy, redukując błąd pozycjonowania do zaledwie 180 m. System MagNav działa skutecznie w warunkach wysokiego poziomu szumów magnetycznych gdy magnetometry są zamontowane wewnętrznie w samolocie (gdzie szum był około 13x większy niż na zewnątrz, a mimo to osiągnięto porównywalne wyniki pozycjonowania).

Zrealizowane w 2024 r. i opisane w omawianym artykule próby naziemne Q-CTRL są przy tym pierwszą publiczną demonstracją MagNav z wykorzystaniem niezależnie opracowanych publicznych map anomalii magnetycznych (takie jak „Total Magnetic Intensity (TMI) Grid of Australia 2019 – 7th Edition”), bez założeń dotyczących ograniczeń ścieżki pojazdu.

Możliwość korzystania z niezależnie opracowanych i publicznie dostępnych map ma fundamentalne znaczenie dla masowego wdrożenia w transporcie. Zdolność systemu MagNav do zapewniania precyzyjnego pozycjonowania w środowiskach o wysokim poziomie zakłóceń, jego pasywny charakter oraz brak zależności od GNSS, w połączeniu z udanymi testami w pojazdach naziemnych, czynią go dzisiaj bardzo obiecującym rozwiązaniem dla przyszłego transportu publicznego i indywidualnego, szczególnie w kontekście rosnących – ze względu na napięcia geopolityczne – zagrożeń związanych z zagłuszaniem lub podszywaniem się pod sygnały GNSS.