Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS đã thực sự làm thay đổi cách chúng ta di chuyển trên trái đất, từ những chuyến đi ngắn bằng ô tô cho đến những chuyến bay liên lục địa. Tuy nhiên, cả quân đội lẫn dân sự đều có khả năng gây nhiễu dữ liệu định vị toàn cầu, điều này khiến cho sự chính xác trong việc điều hướng trở nên khó khăn. Trong bối cảnh cuộc xung đột toàn diện của Nga tại Ukraine, chúng ta đã nhận thấy cả hai bên đều có khả năng phân phối rộng rãi các thiết bị gây nhiễu tín hiệu, làm cho các vũ khí điều khiển và máy bay không người lái đi lệch hướng. Thực tế cho thấy, ngay cả trong không phận hòa bình, các hãng hàng không cũng thường xuyên phải đối mặt với sự gián đoạn trong việc sử dụng định vị vệ tinh.
Gây nhiễu tín hiệu có nghĩa là làm cho tín hiệu bị chìm trong tiếng ồn, khiến nó trở nên không thể sử dụng được. Một hình thức khác của sự gián đoạn tín hiệu, gọi là giả mạo, xảy ra khi ai đó chèn dữ liệu định vị sai vào hệ thống, làm cho máy bay đi lệch khỏi đường bay. Mối đe dọa từ những sự cố như vậy, ngày càng gia tăng trong thập kỷ này, đặt ra nhu cầu về một giải pháp mới. Một trong những giải pháp tiềm năng có thể là học hỏi từ thiên nhiên để cung cấp một phương pháp thay thế không bị nhiễu cho GPS; cụ thể hơn là, một hệ thống điều hướng tự nhiên như của cá voi, chim và các động vật di cư khác.
Công ty công nghệ dựa trên trí tuệ nhân tạo SandboxAQ, tách ra từ Google’s Alphabet, khẳng định đã tìm ra một giải pháp định vị khai thác những biến đổi tinh vi của từ trường trái đất. Thiết bị AQNav sử dụng cảm biến lượng tử có khả năng đo những biến đổi ở cấp độ nguyên tử, để phát hiện những thay đổi môi trường rất nhỏ. Sau đó, trí tuệ nhân tạo tiên tiến trong hệ thống sẽ phân tích những dữ liệu này. Thiết bị có khả năng phát hiện các từ trường địa lý độc đáo và khớp chúng với các điểm cụ thể trên bản đồ, xác định vị trí của máy bay trong thời gian thực. Theo SandboxAQ, AQNav gần như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và thời tiết.
Lực lượng Không quân Hoa Kỳ đã triển khai AQNav trên các máy bay vận tải C-17A hai lần trong năm 2023. Cuộc thử nghiệm đã thành công trong việc kiểm tra khả năng của máy bay này trong việc điều hướng mà không cần GPS, sử dụng dữ liệu từ trường trong thời gian thực. Tổng cộng, hệ thống đã trải qua hơn 200 giờ thử nghiệm bay trên bốn loại máy bay khác nhau.
Theo Luca Ferrara, Giám đốc điều hành Navigation của SandboxAQ, các yếu tố gây nhiễu tín hiệu và thời tiết xấu không làm giảm độ chính xác của cảm biến. “Khi bạn đạt đến quy mô tín hiệu phát ra từ vỏ trái đất, bạn sẽ cần một tín hiệu gây nhiễu mạnh tương đương với sức mạnh của các cấu trúc địa chất khổng lồ để làm nhiễu tín hiệu này.” Ông cũng lưu ý rằng mặc dù từ trường trái đất không cố định, nhưng mô hình của nhóm đã tính đến các rung động và biến dạng từ năng lượng mặt trời.
Dựa trên kết quả thử nghiệm vào tháng Tám, Không quân đã cấp tăng kinh phí cho SandboxAQ so với khoản tài trợ ban đầu. Để chuẩn bị cho sản xuất quy mô lớn, kiến trúc của hệ thống cần phải thích ứng với nhiều loại tải trọng tùy chỉnh khác nhau—thường là các hệ thống cảm biến hoặc truyền thông. Do đó, quá trình phát triển sẽ tận dụng AgilePod của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân, một loạt các khoang vuông 30 inch có thể được lắp ráp theo nhiều cấu hình khác nhau để phù hợp với các hệ thống truyền thông cảm biến khác nhau.
AQNav có thể được gắn bên ngoài trên những máy bay lớn như B-52 hoặc những máy bay nhỏ hơn như drone MQ-9. Nó có thể được lắp trong một hộp vuông 2 feet hoặc phù hợp với hai khe cắm. SandboxAQ cũng hy vọng sẽ triển khai AQNav trên các hãng hàng không dân sự lớn trong tương lai, và đang làm việc cùng với Boeing và chi nhánh Acubed của Airbus tại Silicon Valley để thực hiện phương pháp điều hướng từ tính.
Con người chỉ mới bắt đầu sử dụng từ trường của hành tinh để di chuyển trong vài trăm năm qua. Là một công cụ điều hướng, la bàn từ lần đầu xuất hiện trong các tài liệu viết vào đầu thế kỷ 15 trên con tàu của nhà thám hiểm Trung Quốc Trịnh Hòa, người đã thực hiện bảy chuyến đại dương lớn.
Trong khi đó, khả năng định hướng từ tính ở động vật đã tồn tại hàng triệu năm—hãy hỏi một con cá voi lưng gù. Các nhà khoa học đã quan sát một con cá voi đeo thiết bị theo dõi di động, đã đi được gần 2.250 km nhưng chỉ lệch khỏi quỹ đạo thẳng của nó 0,4 độ. Khả năng này, được gọi là cảm biến từ tính, xuất hiện trong nhiều loại động vật khác nhau từ cá mập, chim di cư cho đến kiến và thân mềm.
Hiện chưa có sự đồng thuận về cách mà động vật cảm nhận từ trường; một số nhà nghiên cứu cho rằng điều này có thể do một tương tác lượng tử, trong đó từ trường ảnh hưởng đến phản ứng hóa học trong cơ thể, trong khi những người khác lại cho rằng cơ thể những động vật này có các cụm nhạy cảm như la bàn với các hạt magnetite giàu sắt.
Dù hoạt động trong tự nhiên như thế nào, thiết kế của AQNav đã tạo ra kết quả tương tự. Nó sử dụng các cảm biến từ trường quang học được bơm, sử dụng ánh sáng laser để phân cực các nguyên tử trong một chất khí. Điều này làm thay đổi trạng thái năng lượng của chúng theo phản ứng với từ trường xung quanh. Những thay đổi này được đo và chuyển đổi thành dữ liệu có thể khớp với vị trí cụ thể trên trái đất.
Một cảm biến cực kỳ nhạy cảm không đủ. Hệ thống cũng cần lọc tiếng ồn và điều chỉnh cho các bất thường, bao gồm cả những ảnh hưởng từ sự thay đổi nhiệt độ và dòng điện. Cuối cùng, trí tuệ nhân tạo chính là yếu tố giúp hệ thống trở nên chính xác.
AI sẽ phân tích tín hiệu từ bất kỳ sự can thiệp nào, giải thích Jen Sovada, một đại tá đã nghỉ hưu của Không quân, hiện đang đảm nhiệm vị trí Chủ tịch Khu vực Công Global của SandboxAQ. “Chúng tôi đã xác định và hiểu rõ cái tín hiệu nên trông thế nào, và chúng tôi có khả năng trừ đi tiếng ồn, bao gồm cả những gì cơ thể máy bay gây ra hoặc, ví dụ, một chiếc điện thoại trong túi của bạn. Vì vậy, ngay cả khi chúng tôi đặt một nam châm lên cảm biến, hệ thống vẫn biết cái gì là đúng và cái gì là sai.”
Rõ ràng rằng các hệ thống điều hướng của con người có vẻ cần trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên, cách mà cá voi di chuyển hàng nghìn dặm với độ chính xác gần như hoàn hảo vẫn là điều gây bối rối cho các nhà khoa học. Nếu từ trường là sự hướng dẫn duy nhất, thì những biến động của từ trường chắc chắn sẽ làm cá voi đi lệch hướng, thậm chí có thể là đến 12 độ so với “bắc thật”. Bằng cách nào đó, cá voi đã điều chỉnh cho sự xuất hiện này, có thể bằng cách bù đắp cho những sai sót hoặc sử dụng các giác quan khác—như quan sát vị trí của mặt trời.
AI có thể giúp trong việc nhận diện mẫu mà con người không thể làm được, Ferrara giải thích. Thiết kế AQNav kết hợp kiến thức về vật lý vào AI, giúp các cảm biến cung cấp dữ liệu bản đồ từ trường chi tiết, bao gồm cả các hiện tượng bất ngờ. AQNav đang thu thập dữ liệu mới từ mỗi thử nghiệm bay để tạo ra một bản đồ từ trường chi tiết. Hiện tại, AQNav nhắm đến các máy bay lớn, có vốn đầu tư cao, từ máy bay quân sự đắt tiền đến máy bay hàng không dân sự. Công ty lạc quan rằng khi chi phí của cảm biến lượng tử giảm và được áp dụng quy mô, AQNav có thể được sử dụng cho các máy bay nhỏ hơn và rẻ hơn.
Ngoài ra, điều hướng của tàu ngầm cũng có thể được hưởng lợi từ một cảm biến từ lượng tử như AQNav, theo SandboxAQ. Việc xác định vị trí những tàu ngầm khi bị ngâm chìm là rất khó khăn, vì chúng nằm ngoài tầm với của hầu hết các tín hiệu GPS.
Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc và Australia đã nghiên cứu các ứng dụng của cảm biến từ lượng tử cho chiến tranh dưới đáy biển trong nhiều năm—cả cho việc điều hướng và truyền thông cũng như phát hiện các tàu ngầm ở xa có thể nằm sâu vài dặm. Những cảm biến như vậy có thể được lắp đặt trên đáy biển để làm một dạng hệ thống phát hiện tàu ngầm xâm phạm.
Thách thức chính cho các ứng dụng lý thuyết này sẽ giống như với máy bay—lọc tín hiệu ra khỏi tiếng ồn.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/military/aviation/a62085402/magnetic-navigation-aircraft/
Gây nhiễu tín hiệu có nghĩa là làm cho tín hiệu bị chìm trong tiếng ồn, khiến nó trở nên không thể sử dụng được. Một hình thức khác của sự gián đoạn tín hiệu, gọi là giả mạo, xảy ra khi ai đó chèn dữ liệu định vị sai vào hệ thống, làm cho máy bay đi lệch khỏi đường bay. Mối đe dọa từ những sự cố như vậy, ngày càng gia tăng trong thập kỷ này, đặt ra nhu cầu về một giải pháp mới. Một trong những giải pháp tiềm năng có thể là học hỏi từ thiên nhiên để cung cấp một phương pháp thay thế không bị nhiễu cho GPS; cụ thể hơn là, một hệ thống điều hướng tự nhiên như của cá voi, chim và các động vật di cư khác.
Công ty công nghệ dựa trên trí tuệ nhân tạo SandboxAQ, tách ra từ Google’s Alphabet, khẳng định đã tìm ra một giải pháp định vị khai thác những biến đổi tinh vi của từ trường trái đất. Thiết bị AQNav sử dụng cảm biến lượng tử có khả năng đo những biến đổi ở cấp độ nguyên tử, để phát hiện những thay đổi môi trường rất nhỏ. Sau đó, trí tuệ nhân tạo tiên tiến trong hệ thống sẽ phân tích những dữ liệu này. Thiết bị có khả năng phát hiện các từ trường địa lý độc đáo và khớp chúng với các điểm cụ thể trên bản đồ, xác định vị trí của máy bay trong thời gian thực. Theo SandboxAQ, AQNav gần như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và thời tiết.
Lực lượng Không quân Hoa Kỳ đã triển khai AQNav trên các máy bay vận tải C-17A hai lần trong năm 2023. Cuộc thử nghiệm đã thành công trong việc kiểm tra khả năng của máy bay này trong việc điều hướng mà không cần GPS, sử dụng dữ liệu từ trường trong thời gian thực. Tổng cộng, hệ thống đã trải qua hơn 200 giờ thử nghiệm bay trên bốn loại máy bay khác nhau.
Theo Luca Ferrara, Giám đốc điều hành Navigation của SandboxAQ, các yếu tố gây nhiễu tín hiệu và thời tiết xấu không làm giảm độ chính xác của cảm biến. “Khi bạn đạt đến quy mô tín hiệu phát ra từ vỏ trái đất, bạn sẽ cần một tín hiệu gây nhiễu mạnh tương đương với sức mạnh của các cấu trúc địa chất khổng lồ để làm nhiễu tín hiệu này.” Ông cũng lưu ý rằng mặc dù từ trường trái đất không cố định, nhưng mô hình của nhóm đã tính đến các rung động và biến dạng từ năng lượng mặt trời.
Dựa trên kết quả thử nghiệm vào tháng Tám, Không quân đã cấp tăng kinh phí cho SandboxAQ so với khoản tài trợ ban đầu. Để chuẩn bị cho sản xuất quy mô lớn, kiến trúc của hệ thống cần phải thích ứng với nhiều loại tải trọng tùy chỉnh khác nhau—thường là các hệ thống cảm biến hoặc truyền thông. Do đó, quá trình phát triển sẽ tận dụng AgilePod của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân, một loạt các khoang vuông 30 inch có thể được lắp ráp theo nhiều cấu hình khác nhau để phù hợp với các hệ thống truyền thông cảm biến khác nhau.
AQNav có thể được gắn bên ngoài trên những máy bay lớn như B-52 hoặc những máy bay nhỏ hơn như drone MQ-9. Nó có thể được lắp trong một hộp vuông 2 feet hoặc phù hợp với hai khe cắm. SandboxAQ cũng hy vọng sẽ triển khai AQNav trên các hãng hàng không dân sự lớn trong tương lai, và đang làm việc cùng với Boeing và chi nhánh Acubed của Airbus tại Silicon Valley để thực hiện phương pháp điều hướng từ tính.
Con người chỉ mới bắt đầu sử dụng từ trường của hành tinh để di chuyển trong vài trăm năm qua. Là một công cụ điều hướng, la bàn từ lần đầu xuất hiện trong các tài liệu viết vào đầu thế kỷ 15 trên con tàu của nhà thám hiểm Trung Quốc Trịnh Hòa, người đã thực hiện bảy chuyến đại dương lớn.
Trong khi đó, khả năng định hướng từ tính ở động vật đã tồn tại hàng triệu năm—hãy hỏi một con cá voi lưng gù. Các nhà khoa học đã quan sát một con cá voi đeo thiết bị theo dõi di động, đã đi được gần 2.250 km nhưng chỉ lệch khỏi quỹ đạo thẳng của nó 0,4 độ. Khả năng này, được gọi là cảm biến từ tính, xuất hiện trong nhiều loại động vật khác nhau từ cá mập, chim di cư cho đến kiến và thân mềm.
Hiện chưa có sự đồng thuận về cách mà động vật cảm nhận từ trường; một số nhà nghiên cứu cho rằng điều này có thể do một tương tác lượng tử, trong đó từ trường ảnh hưởng đến phản ứng hóa học trong cơ thể, trong khi những người khác lại cho rằng cơ thể những động vật này có các cụm nhạy cảm như la bàn với các hạt magnetite giàu sắt.
Dù hoạt động trong tự nhiên như thế nào, thiết kế của AQNav đã tạo ra kết quả tương tự. Nó sử dụng các cảm biến từ trường quang học được bơm, sử dụng ánh sáng laser để phân cực các nguyên tử trong một chất khí. Điều này làm thay đổi trạng thái năng lượng của chúng theo phản ứng với từ trường xung quanh. Những thay đổi này được đo và chuyển đổi thành dữ liệu có thể khớp với vị trí cụ thể trên trái đất.
Một cảm biến cực kỳ nhạy cảm không đủ. Hệ thống cũng cần lọc tiếng ồn và điều chỉnh cho các bất thường, bao gồm cả những ảnh hưởng từ sự thay đổi nhiệt độ và dòng điện. Cuối cùng, trí tuệ nhân tạo chính là yếu tố giúp hệ thống trở nên chính xác.
AI sẽ phân tích tín hiệu từ bất kỳ sự can thiệp nào, giải thích Jen Sovada, một đại tá đã nghỉ hưu của Không quân, hiện đang đảm nhiệm vị trí Chủ tịch Khu vực Công Global của SandboxAQ. “Chúng tôi đã xác định và hiểu rõ cái tín hiệu nên trông thế nào, và chúng tôi có khả năng trừ đi tiếng ồn, bao gồm cả những gì cơ thể máy bay gây ra hoặc, ví dụ, một chiếc điện thoại trong túi của bạn. Vì vậy, ngay cả khi chúng tôi đặt một nam châm lên cảm biến, hệ thống vẫn biết cái gì là đúng và cái gì là sai.”
Rõ ràng rằng các hệ thống điều hướng của con người có vẻ cần trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên, cách mà cá voi di chuyển hàng nghìn dặm với độ chính xác gần như hoàn hảo vẫn là điều gây bối rối cho các nhà khoa học. Nếu từ trường là sự hướng dẫn duy nhất, thì những biến động của từ trường chắc chắn sẽ làm cá voi đi lệch hướng, thậm chí có thể là đến 12 độ so với “bắc thật”. Bằng cách nào đó, cá voi đã điều chỉnh cho sự xuất hiện này, có thể bằng cách bù đắp cho những sai sót hoặc sử dụng các giác quan khác—như quan sát vị trí của mặt trời.
AI có thể giúp trong việc nhận diện mẫu mà con người không thể làm được, Ferrara giải thích. Thiết kế AQNav kết hợp kiến thức về vật lý vào AI, giúp các cảm biến cung cấp dữ liệu bản đồ từ trường chi tiết, bao gồm cả các hiện tượng bất ngờ. AQNav đang thu thập dữ liệu mới từ mỗi thử nghiệm bay để tạo ra một bản đồ từ trường chi tiết. Hiện tại, AQNav nhắm đến các máy bay lớn, có vốn đầu tư cao, từ máy bay quân sự đắt tiền đến máy bay hàng không dân sự. Công ty lạc quan rằng khi chi phí của cảm biến lượng tử giảm và được áp dụng quy mô, AQNav có thể được sử dụng cho các máy bay nhỏ hơn và rẻ hơn.
Ngoài ra, điều hướng của tàu ngầm cũng có thể được hưởng lợi từ một cảm biến từ lượng tử như AQNav, theo SandboxAQ. Việc xác định vị trí những tàu ngầm khi bị ngâm chìm là rất khó khăn, vì chúng nằm ngoài tầm với của hầu hết các tín hiệu GPS.
Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc và Australia đã nghiên cứu các ứng dụng của cảm biến từ lượng tử cho chiến tranh dưới đáy biển trong nhiều năm—cả cho việc điều hướng và truyền thông cũng như phát hiện các tàu ngầm ở xa có thể nằm sâu vài dặm. Những cảm biến như vậy có thể được lắp đặt trên đáy biển để làm một dạng hệ thống phát hiện tàu ngầm xâm phạm.
Thách thức chính cho các ứng dụng lý thuyết này sẽ giống như với máy bay—lọc tín hiệu ra khỏi tiếng ồn.
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/military/aviation/a62085402/magnetic-navigation-aircraft/
