Em março de 2024, um avião que transportava o ministro da Defesa do Reino Unido teve seu sinal de GPS preso ao percorrer o exclave russo de Kaliningrado em uma jornada entre o Reino Unido e a Polônia. Mais tarde, o governo do Reino Unido disse que o avião nunca estava em perigo, mas que os incidentes de interferência não eram incomuns na região. De fato, vários grupos observaram que o interrupção do GPS se tornou comum desde o início da guerra russa-ucrania.
Durante décadas, o backup padrão para esse tipo de falha de navegação tem sido a navegação inercial, um método de rastreamento de movimento usando acelerômetros e giroscópios. Mas esses sistemas têm uma fraqueza inerente: os pequenos erros aumentam com o tempo, causando a deriva, potencialmente por muitos quilômetros em longas viagens. Isso os torna inaceitáveis em muitas aplicações críticas.
O que os navegadores precisam desesperadamente é uma nova maneira de descobrir onde estão que não depende de sinais de satélite que podem ser atolados. Idealmente, esse sistema deve ser totalmente passivo para que não revele sua própria localização, diferentemente do radar, por exemplo.
Agora, Murat Muradoğlu e colegas da Q-CTRL, uma empresa de tecnologia quântica com escritórios em Sydney, na Austrália, demonstraram exatamente essa tecnologia. A abordagem deles é detectar anomalias no campo magnético da Terra e compará -las com um mapa conhecido do campo para descobrir sua posição. E como eles usam sensores quânticos para esse processo, eles podem detectar anomalias magnéticas com sensibilidade muito maior do que o anteriormente possível e significativamente melhor do que um sistema de navegação inercial de ponta.
O sistema Q-CTRL tem o potencial de ser um auxílio de navegação passivo, imunológicamente e universalmente disponível que possa revolucionar como os veículos encontram seu caminho em ambientes em que os sistemas globais de satélite de navegação não estão disponíveis.
Avanço histórico
O conceito por trás de Magnav não é novo. O campo magnético da Terra não é perfeitamente uniforme; Sobrepostos no campo principal de até 65.000 nanotesla gerados pelo núcleo do planeta, são pequenas variações localizadas conhecidas como anomalias magnéticas. Essas anomalias geralmente variam em tamanho de 10 a 100 nanoteslas ao longo de alguns quilômetros. Eles surgem de características geológicas na crosta terrestre e são geograficamente distintas e estáveis ao longo do tempo.
Assim como os pontos de referência permitem navegação visual, esses recursos magnéticos podem servir como sinalizadores. Se um veículo transportar um magnetômetro sensível e tiver acesso a um mapa dessas anomalias, ele poderá determinar sua posição correspondendo às medições de campo magnético em tempo real com o mapa. Já existem mapas globais de anomalia magnética, compilados a partir de décadas de pesquisas geofísicas.
No entanto, traduzir esse conceito elegante em um sistema prático tem sido um desafio. Primeiro, as anomalias magnéticas usadas para navegação são pequenas em comparação com o campo principal da Terra e também podem ser inundadas por interferência magnética gerada pelos eletrônicos e motores do veículo. Segundo, os magnetômetros tradicionais não têm a sensibilidade necessária, a estabilidade ou o tamanho pequeno necessário para a implantação em veículos móveis.
Todo o processo também precisa de algoritmos sofisticados para filtrar o ruído e, em seguida, corresponder aos dados do sensor, geralmente barulhento, ao mapa. No passado, isso exigia que as aeronaves realizassem manobras complexas de “folhas de trevo” para calibrar os sensores.
Muradoğlu e Co enfrentaram esses desafios com várias inovações de hardware e software. No coração de seu sistema, há um magnetômetro quântico proprietário, que mede a maneira como um campo externo influencia a rotação dos átomos de rubidium, em um pacote compacto e leve do tamanho do cubo de Rubik.
Este hardware é emparelhado com um conjunto de algoritmos de denoising e correspondência de mapas. Diferentemente das abordagens tradicionais que tratam o cancelamento de ruído e o mapeamento como etapas separadas, o software Q-CTRL as integra. Ele usa um modelo acionado por física para aprender a assinatura magnética do veículo em tempo real, pois muda com cargas úteis, por exemplo, e depois subtrai-lo e o ruído da plataforma do sinal de interesse.
Para validar seu sistema, a equipe Q-CTRL realizou extensos testes de campo. Os testes transportados pelo ar envolveram a gente do Cessna 208B Grand Caravan a mais de 6700 km perto de Griffith, Austrália, em altitudes que variam de um nível próximo de até 19.000 pés. Eles testaram várias configurações, incluindo sensores montados internamente (um ambiente de alto ruído) e os montados externamente, comparando o desempenho do Magnav com um sistema de navegação inercial de grau estratégico e contra dados da verdade do GPS.
Eles também avaliaram o sistema em ensaios terrestres em uma van de aluguel padrão percorrida sobre terrenos mistos perto de Orange, NSW. Isso produziu um ruído ainda mais severo e um ambiente de vibração. “Até onde sabemos, nossos ensaios bem-sucedidos no solo representam uma primeira demonstração do mundo”, diz a equipe.
Os resultados foram convincentes. Em vários ensaios aéreos, o sistema MAGNAV com segurança quântica superou consistentemente o sistema de navegação inercial. “Nossa solução MAGNAV atinge o desempenho superior, fornecendo até ~ 46 × melhor (mais baixo) erro de posicionamento do que o INS auxiliado por velocidade; a melhor precisão de posicionamento final que alcançamos em um teste de vôo é de 22m ou 0,006% da distância de voo”, dizem os pesquisadores.
Nos ensaios terrestres, o sistema Magnav alcançou uma precisão final de 180 metros em uma rota de 18 km, apesar do ruído magnético dentro da van atingir os níveis 50 vezes maior que o sinal de anomalia.
Esse é um trabalho interessante com implicações significativas. Dada a crescente vulnerabilidade dos sistemas de GPS, muito trabalho foi realizado em formas alternativas de navegação, mas todas têm limitações. A navegação de terrenos baseada em câmera e rastreadores de estrelas podem falhar quando o tempo estiver ruim; O radar e o LIDAR são opções resilientes, mas revelam sua posição e sistemas de navegação baseados em beacon com base em torres de telefones celulares funcionam mal em oceanos ou em áreas remotas.
O MAGNAV de segurança quântica do Q-CTRL tem o potencial de saltar essas tecnologias. “A solução Magnav, seguida por quântica, pode superar os sistemas de navegação inerciais em uma ampla gama de condições”, diz Muradoğlu e co.
Mapeamento magnético
Mas ainda não é um slam dunk. Um desafio será melhorar a resolução e a cobertura dos mapas magnéticos de domínio público, que normalmente têm uma resolução de alguns quilômetros. Isso não é bom o suficiente para muitas aplicações. Esses mapas precisam particularmente melhorar em relação aos oceanos, onde as anomalias magnéticas tendem a ser menores do que sobre a terra. Uma questão importante é a precisão dos mapas.
Depois, há o problema das tempestades geomagnéticas causadas pela atividade solar. Essas tempestades podem gerar campos que as anomalias anônimas de que esse sistema depende da navegação. Portanto, pode ser necessário integrar modelos preditivos de atividade geomagnética para o planejamento do caminho.
Outro fator serão as capacidades militares desenvolvidas em segredo. “Reconhecemos que podem existir manifestações clandestinas das quais não temos conhecimento”, diz a equipe. O perigo é que os sistemas militares superem o Q-CTRL, tornando-o obsoleto. Outras tecnologias quânticas “imunológicas” também podem competir, como a navegação inercial quântica, que está sendo testada atualmente pela empresa de tecnologia do Reino Unido.
Todo esse trabalho sugere que uma nova era de navegação habilitada para quântica é uma surra que deve proteger futuros ministros de defesa do Reino Unido e outros contra ataques. Obviamente, uma nova era de hackers, bloqueios e outras atividades nefastas não pode ficar muito atrás.
REF: A navegação magnética de segurança quântica alcança a precisão do posicionamento melhor do que um INS de grau estratégico em ensaios de campo no ar e no solo: arxiv.org/abs/2504.08167