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美国王炸级新导航即将问世?只有核爆炸能干扰,会取代GPS吗?

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美国又一个王炸级的秘密武器,十年磨一剑的新导航系统MagNav,可能就要问世了。这种依靠地磁异常定位的系统,你可以把它想象成一个超级导航,极为稳定,无处不在,要想干扰它?别做梦了,除非有人引爆一颗核弹,这时候你要担心的,可能就不只是导航问题了。

要想摧毁它?更不可能!因为它根本就没有卫星等硬件设施。而且它可以在室内,乃至水下、地下、地堡、海底使用,地面上也不受任何天气影响,它还不发射任何信号,这意味着它几乎就是完美的,让其他导航系统,看起来都像是拿着纸质地图,在丛林里迷路的小学生。

MagNav来自麻省理工学院,开发它的初衷是想给GPS建一个备胎。



如果你是俄乌战争的忠实旁观者,那你肯定记得2022年那段剧情转折,乌克兰人从美国那里拿到了海马斯多管火箭炮,开始用那些像是精确到毫米的高精度弹药秀操作,战场的风向标似乎开始指向乌克兰。然而,剧情很快就加入了新的反转:海马斯依赖的GPS制导系统,被俄罗斯人找到了克星,电子干扰进行得如火如荼,到了2023年的夏日炎炎,海马斯的打击效果已大不如前,乌克兰的大反攻最终也偃旗息鼓。

俄罗斯随即开启了进攻模式,加大了导弹和无人机的攻势,场面一度看起来像是要彻底翻盘了。但乌克兰也不是吃素的,他们在全国范围内部署了一套听起来很有东欧神秘风情的电子战系统——Pokrova,通过干扰和欺骗卫星导航系统,让俄罗斯的导弹和无人机失魂落魄,像无头的苍蝇一样,攻击效果大打折扣。就这样,战场形势又回到了那种你来我往,难分难解的胶着状态。



你看出来没有?所有这一切的关键和根本,就是双方针对卫星导航系统的干扰和欺骗。目前地球上空游荡着4套全球性的卫星定位系统,包括美国的GPS,俄罗斯的格洛纳斯,中国的北斗,还有欧洲的伽利略,这些系统的定位精度都很高,但也都有一个弱点,那就是卫星信号很弱,很容易受到天气和人为干扰,并且室内和水下也无法定位。最可怕的是,如果这些卫星被摧毁,人类可能就要回到原始社会。

这也正是美国空军最担心的,因为他们所有的军事活动都严重依赖GPS,飞机、无人机乃至海马斯这样的精确制导炮弹,一旦GPS受到影响和干扰,就可能导致任务的失败,受到欺骗还可能带来更大的损失。



比如一些开车靠近克里姆林宫的司机就经常抱怨,导航莫名其妙显示他们是在莫斯科机场,搞得一脸懵逼。而黑海上的船只也经常发现,他们被导航奇迹般地告知,他们已经开上陆地好几十公里了,而这一切的幕后黑手,正是俄罗斯的信号欺骗技术。

乌克兰现在也是这样,最近手机和汽车导航可能会发现,自己的位置竟然在数百公里之外,这也是电子战系统Pokrova的杰作,好在这套系统只是在面临威胁时才激活,平时不会受到什么影响,反而可以提醒乌克兰人,空袭要来了,赶快找地方躲。

这还只是干扰和欺骗,如果卫星遭到摧毁破坏,所有高精尖武器更是会瞬间变成瞎子,所有的军事优势都会化为乌有。美国空军对这种精确导航能力中的单点故障非常担心,迫切需要建立一个新的导航系统来成为GPS的备胎,因而在10年前就开始和麻省理工学院合作,开发利用地磁导航的MagNav系统。



很多朋友可能都知道,地球内部热能推动固态内核和熔融外核相对运动因发电机效应而产生了地球磁场,而地壳和上地幔的物质组成和结构差异,可能导致地球磁场的扭曲,比如地壳厚化、拉伸、断裂或挤压,都会留下磁场变化的痕迹,岩石的化学或磁性变化也会使地球磁场产生局部改变,这些和原始地磁场不一样的变化就叫做地磁异常。

也就是说你想象中的地球磁场是一条条从南极出发,跨越整个地球钻进北极的磁力线,但实际磁力线上的每一个点都有所不同,目前科学家们已经通过多种手段,详细测量绘制了全球各地的地磁异常图。这就相当于让地球上每一个点,都有了不同的“磁指纹”,比如磁场强度和方向的差异等。



MagNav的基本原理,就是利用放置在飞机、车辆中的磁力计,实时测出磁场数据,来和地磁异常图比对,从而确定当前的具体位置。但这说起来简单,做起来却异常困难和复杂,因为地球磁场非常微弱,我们谈的是百万分之一特斯拉量级,飞机、汽车本身电子设备等产生的磁场就会严重影响磁力计的测量效果,从而导致导航的巨大误差。

麻省理工和美国空军为此在GitHub上搞了个磁导航信号增强挑战赛,广泛征集技术方案,并最终取得突破,改进了麻省理工的神经网络架构,利用机器学习来分离和消除飞机等载具产生的磁噪声,获得了较为精确的定位。我在一个视频上看到,麻省理工一位研究人员在笔记本上,几分钟就完成了机器训练,获得了102米的定位精度。



2020年在弗吉尼亚州路易莎上空的一次飞行测试中,研究人员将误差精度降到了13米。

据估计,理想情况下MagNav的精度可以达到10米,这和海马斯两三米的精度,以及我们日常所用的民用导航精度,已经较为接近了,这是不是意味着MagNav已经可以成为GPS的备份了呢?

答案是否定的,目前MagNav还需要磁力计和电脑进行测量和计算,磁力计就有几个手提箱大,而且在不同环境中,或使用较低质量的磁图时,精确度也会有较大的差异。但既然已做到10米的精度,相信已经可以进行大规模的开发利用了,把MagNav设备缩小,甚至做成GPS那样的模块,可能也已经提上了议事日程,这意味着在不久的将来,MagNav导航就可能逐渐小型化。随着地磁测量技术的进步和机器学习的不断演化,MagNav也有可能会获得越来越高的精度,从而成为真正的GPS备胎,至于会不会转正,现在预言可能还为时过早。



但MagNav的优势无疑极为明显,它几乎就是一个完全独立的导航系统,不需要依赖其他任何设备,只需加载或更新磁图就行了。而磁图数据一经测定,就几乎不会再改变,只会是精度越来越高,只有地质级别的变化或者是核爆炸,才有可能干扰地球磁场,让它无法可靠地导航。

此外MagNav可以在任何地方使用,不管是陆地还是海洋,甚至包括水下和地下,比如矿井和潜艇,它不用接收卫星信号,也不向外发出信号,暴雨乌云无法影响它,能影响它地只有你自己,比如把它放在铁盒子里。



此外理论上也可以用强磁铁干扰它,但你别忘了,磁场强度是随距离的立方衰减的,你很难大面积地干扰,并且MagNav本来就是用机器学习来剔除噪声的,磁铁的磁场是均匀变化的,所以很容易被剔除,干扰可能也不会起到作用。

你觉得MagNav可以集成到模块中,成为GPS那样的导航设备吗?欢迎留言讨论。

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