Поделиться
Ученый ПНИПУ оценил влияние геомагнитных бурь на спутниковую навигацию по всему миру
В 2025 г. в мире насчитывалось более 6 млрд устройств с поддержкой GPS — от смартфонов и навигаторов до систем в строительной технике. Однако вся эта инфраструктура уязвима перед экстремальными геомагнитными бурями. Когда случается такое событие, навигация начинает сбоить по всей планете. Ученый Пермского Политеха впервые провел комплексный анализ влияния экстремальной геомагнитной бури на данные сотен станций, расположенных в разных регионах мира. Результаты исследования помогут специалистам точнее прогнозировать риски и корректировать работу оборудования. Об этом CNews сообщили представители ПНИПУ.
Статья опубликована в журнале «Геодезия и картография».
Задумывались ли вы, как связаны магнитные бури на Солнце и точность навигатора в телефоне или машине? Спутники находятся на высоте около 20 тысяч километров и постоянно посылают на Землю радиосигнал. Телефон ловит его, замеряет время в пути и так вычисляет расстояние до каждого из них. По этим данным и получаются координаты.
Но сигналу мешает верхний слой атмосферы — ионосфера. Она насыщена мельчайшими электрически заряженными частицами. Состояние этого слоя постоянно меняется из-за Солнца.
Это огромный шар из раскаленного газа. Внутри него постоянно возникают и переплетаются сильнейшие магнитные поля. Когда они «запутываются» слишком сильно, происходит резкий взрыв — солнечная вспышка. Чем сильнее переплетение, тем мощнее взрыв. После такой вспышки в космос выбрасывается гигантское облако заряженных частиц.
Через день-два этот выброс достигает Земли и ударяет по ее магнитному полю, из-за этого начинается геомагнитная буря. Ионосфера приходит в хаотическое движение, и радиосигнал начинает проходить через нее с помехами: то задерживается, то отклоняется. Навигатор из-за этого ошибается в расчетах, а значит, и в определении вашего местоположения.
В обычный день ошибка GPS в телефоне составляет 3–5 м. Этого достаточно, чтобы привести вас к нужному дому, даже если точка на карте чуть «пляшет». Во время сильной бури неточности могут вырасти — в отдельных случаях до 50 метров. Ваш навигатор может подумать, что вы находитесь на соседней улице.
Однако есть сферы, где важна точность до сантиметров. Геодезистам она нужна для разграничения участков, строителям небоскребов — для ровной укладки плит, а специалистам по плотинам — чтобы вовремя замечать деформации. Во всех этих случаях используют спутниковые приемники в статическом режиме: прибор оставляют неподвижным на несколько часов, накапливая данные. Даже небольшое ухудшение сигнала из-за магнитной бури может привести к серьезной ошибке.
Особенно сильные магнитные бури, которые могут нарушать работу техники, ученые называют классом G5. Такие бури случаются всего несколько раз за 11-летний солнечный цикл. Сейчас идет 25-й цикл, и, по прогнозам, он будет активнее, чем предыдущие.
Раньше исследователи в основном изучали, как бури влияют на движущиеся объекты — автомобили и самолеты. А вот как бури сказываются на работе базовых станций (это стационарные приемники, которые обеспечивают сантиметровую точность для геодезистов и строителей), оставалось малоизученным. А ведь именно от их стабильности зависит точность определения координат на стройках и при мониторинге зданий.
Ученый Пермского Политеха впервые на основе глобальных данных почти 300 навигационных станций количественно оценил, как экстремальная геомагнитная буря искажает спутниковый сигнал в статическом режиме. Исследователь сопоставил их работу во время экстремальной геомагнитной бури и в период спокойной космической погоды. Обработав огромный массив данных и отсеяв случайные сбои, он вывел точные количественные оценки влияния магнитных бурь.
«В обычном навигаторе, например, в телефоне, карта плоская, он показывает только широту и долготу. Выяснилось, что точность на карте во время бури падает: координаты определяются на 14% хуже. А непредсказуемость, то есть насколько резко и далеко может прыгнуть метка, увеличивается на 33–50%. Для обычного пользователя это значит, что навигатор может указывать то одно место, то другое, а сами скачки становятся более хаотичными. Но в целом ошибка редко превышает десяток метров — этого достаточно, чтобы навигатор отправил вас не к тому подъезду или показывал на другой стороне улицы», — сказал Антон Тютюков, научный сотрудник кафедры «Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы» ПНИПУ.
Однако профессионалам — геодезистам, строителям, маркшейдерам и другим — нужна еще и высота. Спутник определяет, на какой высоте находится объект, например, где заливать фундамент, на каком уровне монтировать перекрытия. Во время бури ошибка по высоте вырастает на 20%. Если прибор работает часами в статическом режиме, это критическое ухудшение точности, которое может повлиять на безопасность людей и объектов при строительстве и мониторинге. Что касается общей ошибки навигации (положение на плане), она растет еще сильнее — в среднем на 23,5%, а разброс достигает 50%. Такая погрешность критична: точка на местности может сместиться на десятки сантиметров, и, например, фундамент или колонны встанут не там, где нужно. Это опасно для любого строительства.
«Обнаружился неожиданный эффект. В спокойные дни сильные сбои в определении координат происходят на большем числе станций, чем во время геомагнитных бурь. Но при этом в дни бурь средняя величина ошибки позиционирования становится выше. Вероятно, глобальное возмущение геомагнитного поля меняет общую статистику помех, как бы «заглушая» местные источники ошибок», — сказал Антон Тютюков.
Результаты исследования полезны для геодезистов, строителей и маркшейдеров, например, чтобы при буре класса G5 точнее планировать работу спутникового позиционирования. На их основе разработчики навигационных систем смогут создавать алгоритмы, предупреждающие о снижении точности.
Короткая ссылка
