ВведениеТерритория Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) имеет стратегическое значение для страны благодаря богатым запасам природных ресурсов, проходящим через территорию АЗРФ логистическим маршрутам, развитию и контролю над Северным морским путем (СМП) как перспективной артерией между Европой и Азией, а также для обеспечения национальной безопасности страны в условиях геополитической напряженности. Регион играет ключевую роль в развитии национальной экономики страны, предоставляя доступ к запасам углеводорода и минералам. Однако его уникальные природно-климатические условия, включая экстремально низкие температуры, сложный ледовый режим, недостаточная изученность и развитость инфраструктуры, удаленность от центральных районов страны и особенности полярной навигации создают серьезные вызовы при формировании необходимого навигационного обеспечения в рассматриваемом районе, что определяет актуальность темы исследования [1–4]. Целью работы является проведение анализа современных навигационных систем, применяемых в АЗРФ, их перспективы дальнейшего развития к 2030 гг. в сложных природно-климатических условиях с особенностями инфраструктуры.Территория АЗРФ составляет около 5 млн км2, поэтому к рассмотрению текущего состояния навигационных систем целесообразно отнести системы не ниже регионального уровня, а именно: глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), функциональные дополнения ГНСС, радиотехнические системы дальней навигации, технологии навигации по естественным полям Земли [5]. Навигационное обеспечение в АЗРФИспользование ГНСС в АЗРФ отвечает потребностям безопасной навигации, но сталкивается с рядом проблем, обусловленных географическим положением региона, таких как ограниченная видимость спутников в высоких широтах, активности ионосферных возмущений, уязвимости сигналов от помех. Согласно данным мониторинга со станций наблюдения на сайте системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), точность координирования в пространстве может превышать 10 м, а наибольшую долю ошибок в нее привносит высотная составляющая (табл. 1) [6].При навигации в открытом море и вблизи побережья использование мультисистемного режима ГНСС обеспечивает достаточную точность, тогда как применение только ГЛОНАСС или GPS приводит к некритическому снижению точности с точки зрения обеспечения навигационной безопасности плавания судов. Однако для выполнения специализированных, исследовательских и дноуглубительных работ, а также для обеспечения безопасной проводки судов по каналам в сложных ледовых и гидрометеорологических условиях, указанных точностей может оказаться недостаточно [7]. Кроме того, здесь стоит принимать во внимание недостаточную изученность постели морского дна в большинстве районов АЗРФ.Однако ГНСС активно модернизируются, их перспективы в мире характеризуются общим вектором развития, направленным на расширение номенклатуры излучаемых сигналов, повышение точности базовых навигационных услуг в пределах 1 м и доступности сервисов за счет расширения орбитальных группировок навигационных космических аппаратов (НКА) и освоения новых орбитальных сегментов. Основные перспективы развития отечественной и зарубежных ГНСС приведены в табл. 2.Таблица 1Table 1Данные мониторинга точности ГНССAccuracy monitoring data of the global navigation satellite systemСтанцияАбсолютное отклонение(3D-ошибка), мОтклонение в плане, мОтклонение по высоте, мАбсолютное решениеSBASрешениеАбсолютное решениеSBASрешениеАбсолютное решениеSBASрешениеMKML БПУ212,120,543,820,49–11,50–0,22БПУЗ11,490,264,880,22–10.400,15БПУ17,580,602,390,37–7,20–0,47DIKSБПУ27,270,782,180,44–6,93–0,65БПУЗ6,810,572,020,51–6,50–0,26ASTN БПУ28,652,662,051,52–8,402,18БПУЗ7,233,101,501,46–7,072,74БПУ27,130,921,430,89–6,98–0,21SVEK БПУЗ7,580,851,720,78–7,38–0,33БПУ18,001,331,940,88–7,76–0,99БПУ18,691,471,870,15–8,491,46SAMR БПУ28,831,321,830,32–8,631,28БПУЗ8,231,321,570,35–8,081,27 Таблица 2Table 2Перспективы развития ГНССProspects for the development of the global navigation satellite system ПараметрсравненияGPS(США)«Галилео»(ЕС)BeiDou(Китай)ГЛОНАСС (РФ)QZSS(Япония)Среднеорбитальный сегментСигналыоткрытогодоступаL1C/A, L1C, L2C, L5Е1, Е5,Е5а, Е5Ь, Е6В11, В 1C, В21, В2а, B2b, B3I, S2CLlOF, L20F, L10C, L20C, ЬЗОСL1C/A, L1C/B, L1C, L2C, L5, LIS, LISb, L5S, L6D, L6EПланы поразвитиюмалых НКАДаНетНетДа–Точность (95 %), м0,56*0,11*0,38*1,37*–Доступность, %10093100100100Высокоорбитальный / геосгационарный сегментПланыпо развитиюНКА NTS-3Нет3 НКА на геостационарной спутниковой орбите (ГСО),3 НКА нанегеостационарной спутниковойорбите (НГСО)6 НКА на НГСО,3-4 НКА на ГСО3 НКА на НГСО,+ 1 НКА на ГСОНизкоорбитальные системы / сегментыФункцияНавигационные сигналы (НС);передача времениНСКоррекция, мониторинг ГНСС,контрольцелостностиНС, высокоточная коррекция, мониторинг ГНССНС; высокоточная коррекцияДиапазонсигналовTrustPoint: С;Satelles: LUHF, L, S и СLL, КиArkEdge: VHF; JAXA LEO: CПланируемоеколичество НКАTrustPoint: 300; Satelles: н/д; Xona: 2588CENTISACE: 190; SATNET LEO: 500Более 150580* По данным из открытых источников на июль 2023 г. Согласно табл. 2 значительный акцент в достижении целей делается на использование низкоорбитального сегмента, состоящего из большого количества НКА, что в первую очередь позволит повысить качество предоставляемых навигационных услуг в высоких широтах.Использование отечественной СДКМ в Арктике обеспечивает повышение точности координатного обеспечения до 1,5 м в плане [8], но осложняется ограниченной доступностью сигналов коррекции от геостационарных спутников в высоких широтах (рис. 1).  Рис. 1. Зоны уверенного обслуживания системой дифференциальной коррекции и мониторингаFig. 1. Areas of confident maintenance of the differential correction and monitoring systemВ дополнение к сказанному: СДКМ по-прежнему работает в тестовом режиме и подвержена периодическим отключениям в связи с нестабильной геополитической обстановкой в европейской части.В планах развития к 2030 г. СДКМ нацелена на достижения точности до 30 см за счет модернизации наземной инфраструктуры и алгоритмов обработки данных, улучшения модели поправок для ионосферных задержек (режима РРР) и увеличения количества станций сбора измерений, которых на данный момент насчитывается 53 шт. Также анонсировано введение дополнительного спутника ретранслятора корректирующих сигналов, интеграция с системой BeiDou, развитие наземной инфраструктуры обработки данных и передача информации через интернет (SISNeT).Локальные функциональные дополнения, строящиеся на основе контрольно-корректирующих станций (ККС) [9], обеспечивающие дифференциальными поправками потребителей в частотном диапазоне 283,5–325,0 кГц не покрывают и половины акватории СМП. Кроме ККС все станции требуют восстановления технического ресурса или глубокой модернизации. Модернизацию прошла ККС Олений, а станции Стерлигова и Столбовой фактически не работают (рис. 2).   Рис. 2. Контрольно-корректирующие станции на Северном морском пути [6]Fig. 2. Control and correction stations on the Northern Sea Route [6]Тем не менее, существует вероятность, что по результатам модернизации оборудования как станций, так и передающих антенно-мачтовых устройств в совокупности с реализацией нового формата дифференциальных поправок, обеспечивающих расширение зоны обслуживания каждой ККС от 600 км и более, можно достигнуть 80 % покрытия акватории СМП (рис. 3).  Рис. 3. Контрольно-корректирующие станции на Северном морском пути с радиусом покрытия 600 км [6]Fig. 3. Control and correction stations on the Northern Sea Route with a coverage radius of 600 km [6]Такое развитие сервиса с использованием ККС видится приемлемым, однако решение остается за обслуживающей организацией. Недостатком использования нового формата дифференциальных поправок является его ориентация исключительно на современную двухдиапазонную навигационную аппаратуру потребителя, а также отсутствие национального стандарта, регламентирующего порядок их применения [10, 11].Радионавигационные системы длинноволнового диапазона (РСДН), такие как «Лоран-С», «Чайка» и «РСДН-20» («Маршрут», «Маршрут-Д»), традиционно считаются надежным средством навигации в Арктике благодаря их устойчивости к воздействию сложных погодных условий и отсутствию зависимости от спутниковых сигналов. Однако ключевая проблема заключается в том, что значительная часть парка радионавигационной аппаратуры на территории России морально и физически устарела: оборудование эксплуатируется с советских времен, запасы запчастей практически исчерпаны, а производство новых устройств под большим вопросом. На гражданском флоте ситуация еще более острая – использование РСДН практически полностью прекратилось из-за сложности эксплуатации приемников, низкой точности получаемых навигационных решений (от 100 до 1 500 м) и подавляющей ориентации на ГНСС-технологии. По нашему мнению, РСДН не стоит скидывать со счетов, поскольку они обладают рядом уникальных преимуществ, особенно в условиях Арктики, а современные вычислительные алгоритмы и методы обработки данных открывают новые возможности для повышения их точности и надежности, включая использование технологий машинного обучения для коррекции и интерпретации сигналов. Если сети «РСДН-5», «Лоран-С» и «Чайка» не закрывают восточную часть акватории СМП, то система «РСДН-20» имеет практически глобальную зону действия (рис. 4).  Рис. 4. Зоны действия системы «РСДН-20» [6]Fig. 4. RSDN-20 system coverage areas [6]В качестве перспектив развития радиотехнических систем навигации следует обратиться к результатам опытно-конструкторской работы «Альтернатива-Н», срок окончания которой планируется в 2028 г. По итогам выполнения опытно-конструкторской работы должна быть разработана «Комплексная радиотехническая система» координатно-временного и информационного обеспечения потребителей с зоной покрытия 5 000 × 2 000 × 20 км вдоль северного побережья РФ, объединяющая в себе все рассмотренные выше навигационные решения (от ГНСС до локальных систем навигации) и обеспечивающая точности не хуже 150 м в базовом режиме на удалении до 700 км, 10 м в дифференциальном режиме на удалениях до 50 км. В рамках опытно-конструкторской работы предусмотрена разработка соответствующего приемоиндикатора, обеспечивающего комплексирование навигационных решений по используемым в системе методам.Когда мы задумываемся об альтернативных ГНСС способах навигации, то на уровне систем с глобальным покрытием на ум приходят естественные поля Земли. Такие поля, как геомагнитное и гравитационное, уже достаточно давно применяются в навигационной практике и привлекают внимание благодаря своей универсальной доступности, независимости от искусственной инфраструктуры и способности работать в условиях, где спутниковые технологии оказываются ущемленными, например в городах, под водой, под землей или в условиях радиопомех. За годы наблюдений и исследований накоплены обширные массивы данных об их характеристиках, созданы детальные модели и разработаны методы их использования. Современные технологии, включая высокочувствительные датчики и алгоритмы машинного обучения, открывают новые возможности для повышения точности измерений и интерпретации данных, получаемых на основе естественных полей Земли, что делает их перспективным дополнением или даже заменой традиционным системам позиционирования в сложных условиях.На основании анализа данных из открытых источников, включая рекламные материалы производителей и информацию в интернете, можно заключить, что наиболее совершенные современные гравиметры, работающие в относительном режиме, демонстрируют чувствительность на уровне порядка 1 мкГал (табл. 3). Таблица 3Table 3Характеристики гравиметров*Characteristics of gravimeters*СистемаТипТочность, мГалПрименениеСтранаГНУ-КВАбсолютный0,03Эталонные измерения, геодезияРоссияChekan-AMМорской гравиметр0,4ИсследованияРоссияL&R Air-Sea Gravity MeterАвиационныйморской гравиметр2Аэрогравиметрия,океанологияСШАMicro-g LaCoste gPhone FG5-XОтносительный0,0015Мониторинг вулкановСШАCG-6 AutogravОтносительный0,001–0,005Разведка полезныхископаемыхКанадаScintrex CG-5Относительный0,001–0,01Геофизическая разведкаКанада * Составлено по [12–14]. Современные магнетометры достигают чувствительности на уровне порядка 0,01–1 нТл, что делает эти приборы важным инструментом для широкого спектра приложений: от геофизических исследований и картографирования аномалий магнитного поля до навигационных задач и поиска ископаемых. Достижение подобной чувствительности стало возможным благодаря использованию передовых технологий, таких как сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (СКВИДы), оптические атомные магнетометры и прецизионные датчики на основе эффекта Холла. Однако практическая эксплуатация гравиметров и магнетометров требует учета влияния внешних факторов, таких как сейсмическая активность, изменения плотности пород, электромагнитные помехи, температурные колебания и наличие (учет) аномалий, что может существенно влиять на точность измерений и требует применения специальных карт, методов компенсации и коррекции данных. С учетом вышесказанного точность навигации по геомагнитному и гравитационному полям Земли сегодня может лежать в пределах первой сотни метров в идеальных условиях. В сложных условиях, таких как Арктика или зоны с высокой техногенной активностью, погрешности могут возрастать до нескольких сотен метров, что требует дополнительной корректировки с использованием эталонных карт полей или комбинирования с другими методами навигации. Важно, что уточняющим обстоятельством становится именно наличие известных аномалий с высокими показателями градиента геомагнитного и гравитационного полей, которые позволяют использовать их уникальные характеристики в качестве «ориентиров» в зависимости от степени изученности этих аномалий и наличия достоверных данных.Активные разработки в области квантовых сенсоров, а также достижения в применении алгоритмов искусственного интеллекта и искусственных нейронных сетей открывают новые горизонты для повышения точности и надежности навигации на основе естественных полей Земли. Квантовые сенсоры, обладающие беспрецедентной чувствительностью, позволяют значительно улучшить качество измерений гравитационного и магнитного полей, обеспечивая стабильность работы в сложных условиях, таких как Арктика. В дополнение к этому, использование искусственного интеллекта и искусственных нейронных сетей в анализе больших объемов данных и их возможности по выявлению скрытых зависимостей, как нам видится, позволит точнее корректировать погрешности, строить высокоточные эталонные карты полей и прогнозировать их изменения в реальном времени. Эти технологии создают основу для создания автономных, отказоустойчивых систем навигации, способных дополнять или даже заменять традиционные ГНСС.Обратим внимание на сообщение компании Q-CTRL (Австралия) о создании квантовой системы навигации, основанной на измерении магнитного поля Земли, показавшей, со слов основателя компании, профессора квантовой физики и квантовых технологий Сиднейского университета М. Дж. Биркука: «…работоспособность квантовых навигационных технологий компании в реальных условиях, превосходящую GPS-решения до 50 раз, обеспечивая реальное коммерческое и стратегическое преимущество» [15]. Аппаратная часть сочетает высокочувствительный квантовый скалярный магнитометр с оптической накачкой атомов рубидия (рис. 5).  Рис. 5. Квантовый датчик компании Q-CTRL [15]Fig. 5. Q-CTRL quantum sensor [15]В качестве эталона используется инерциальная система стратегического класса точности от компании Lockheed Martin. Второй основой успешного решения является специальное программно-математическое обеспечение, компенсирующее дрейф датчиков по совокупности разнородных внешних данных [16]. Результаты и обсуждениеМожно предположить, что с развитием квантовых технологий в производстве датчиков откроются новые перспективы навигации с использованием и других естественных полей Земли, например:– космическое излучение от пульсаров, магнетаров, квазаров, мюонов с энергией > 1 ГэВ и распадом около 2–3 мкс, которые изотропно достигают Земли. Мюонная томография способна фиксировать их поток и углы прихода; – сейсмические, по разности хода продольных и поперечных сейсмоволн от известного источника;– атмосферные, по характерным воздушным потокам, по аналогии с ориентированием перелетных птиц;– электрические, по слабым электрическим полям в средах;– акустические на инфразвуковых волнах;– термическое, подводные течения, ключи и прочие аномалии;– оптические, с помощью лазерной голографии электромагнитного излучения.Сегодня квантовые датчики уже перешли из разряда теоретических разработок в плоскость практического применения, и в ближайшем будущем они смогут эффективно использоваться для измерения таких параметров, как:– магнитные поля, ожидаемая чувствительность – до 10–15 Тл;– гравитационные поля и ускорения с точностью до 10–9 м/с²;– время и частота с точностью до 10–18 с;– электрические поля до 10–7 В/м;– температура до 10–6 град;– давление до единиц Па;– угловая скорость вращения с точностью до 10–10 рад/с.Помимо сверхвысокой чувствительности/точности измерений, квантовые датчики ожидаемо будут отличаться компактными размерами, а при возможности создания эффективной технологии серийного производства и доступной ценой. Возможности искусственных нейронных сетей широко обсуждаются в современной научной и технической литературе, и их применение охватывает множество областей – от медицины до автономной навигации. Однако важно подчеркнуть их уникальную способность эффективно моделировать сложные нелинейные зависимости, которые часто встречаются в реальных физических процессах, таких как изменения параметров полей Земли. Возможность нейронных сетей позволяет анализировать большие объемы накопленных данных измерений, выявлять скрытые закономерности и строить точные модели даже в условиях высокой изменчивости входных параметров. Это делает их незаменимыми при работе с многофакторными системами, где традиционные линейные методы анализа оказываются недостаточно эффективными [17–19].  ЗаключениеИспользование естественных полей Земли в навигации будущего снова представляет собой перспективное направление, способное существенно расширить возможности современных систем позиционирования. Совокупность технологий, включающая высокочувствительные квантовые датчики и передовые вычислительные алгоритмы с использованием искусственных нейронных сетей и искусственного интеллекта, позволяет создавать отказоустойчивые, автономные и точные решения, особенно в условиях, где спутниковые технологии становятся недоступны или неэффективны. Однако для реализации потенциала этих методов необходимы дальнейшие исследования, направленные на совершенствование чувствительности сенсоров, разработку более эффективных моделей обработки данных и создание глобальных эталонных карт полей. Только комплексный подход, объединяющий достижения в области квантовых технологий, машинного обучения и геофизики, сможет обеспечить качественный прорыв в развитии навигационных систем, способных работать в любых условиях, от арктических широт до подводных глубин, формируя основу для универсальной и надежной глобальной навигации будущего.