КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ АВТОНОМНОЙ НАВИГАЦИИ С ПОЗИЦИЙ СПЛАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрены вопросы кибернетической безопасности в аспекте эффективных предложений альтернатив спутниковой системы в целях возможности оперативного переориентирования на резервную систему позиционирования в случае возникновения любых технических проблем. Дана оценка применения компьютерных специфических компетенций в сфере информационных технологий морского флота как вторичный фактор сквозного управления кибернетической безопасностью. Обработка информации в дублирующем аналоге системы позиционирования основана на технологии сплайн-функций с целью извлечения преимуществ кусочной аппроксимации в практических целях судовождения. Функциональность судоводителя проанализирована в рамках технологии «дополненной реальности» мостика будущего с обеспечением возможности наблюдательной фиксации взгляда вахтенного помощника на основе улучшенных виртуальных профессиональных сценариев на фоне потока типичной навигационной информации. В дополнение к альтернативам традиционной системы позиционирования сформулированы требования космической всепогодности, системной помехозащищенности и круглосуточности использования в условиях чрезвычайных ситуаций, военных конфликтов и техногенных катастроф. В обстоятельствах неопределенности спутниковых систем проблемы их уязвимости теоретически нивелированы за счет предполагаемого использования технических средств судовождения, основанных на иных физических принципах работы. В качестве перспективных вариантов автономного принципа позиционирования выделены корреляционно-экстремальная навигация по естественным геофизическим полям, инновационный проект е-LORAN и автоматизированные на основе вычислительных ресурсов бортового компьютера средства мореходной астрономии. Выполненные в работе исследования объединены с результатами экспериментов в рамках проекта магнитной навигации по вопросам практической реализации автономного авиационного позиционирования. Валидация характеристик изотропного поля как информативного эталона корреляционно-экстремальной навигации подтверждена практической реализациией различных фрагментов геофизических полей в виде трехмерных визуализаций сплайнового синтезирования. Проанализирована точность геолокации навигации с «привязкой к местности» по экстремальным показателям. Дан прогноз достижимости эффекта предсказуемости местоположения мобильного объекта в среде спутникового отсутствуя в случае оптимального управления движением с помощью прогностического моделирования при условии предвидения точной оценки неопределенности навигационной системы. Апробированные на методах сплайн-функций алгоритмы обеспечения авторитетного позиционирования выполнены в качестве интеллектуальной поддержки судоводительского состава по управлению судном в условиях нештатной ситуации.

технология «дополненной реальности», системная помехозащищенность, магнитная навигация, валидация, навигация с «привязкой к местности», среда спутникового отсутствия

1. Laera F. Towards Sailing supported by Augmented Reality: Motivation, Methodology and Perspectives / F. Laera, M. M. Foglia, A. Evangelista, A. Boccaccio, M. Gattullo, M. Vito, J. Gabbard, A. E. Uva, M. Fiorentino // 2020 IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality Adjunct (ISMAR-Adjunct). - IEEE, 2020. - Pp. 269-274. DOI: 10.1109/ISMAR-Adjunct51615.2020.00076.

2. Laera F. Augmented reality for maritime navigation data visualisation: A Systematic review, issues and perspectives / F. Laera, M. Fiorentino, A. Evangelista, A. Boccaccio, V. Manghisi, J. Gabbard, M. Gattullo, A. Uva, M.M. Foglia // The Journal of Navigation. - 2021. - Vol. 74. - Is. 5. - Pp. 1073-1090. DOI: 10.1017/S0373463321000412.

3. Jaeyong O. H. Advanced navigation aids system based on augmented reality / O. H. Jaeyong, S. Park, O. S. Kwon // International Journal of e-Navigation and Maritime Economy. - 2016. - Vol. 5. - Pp. 21-31. DOI: 10.1016/j.enavi.2016.12.002.

4. Zhelamskij M. V. Features of the Construction of a Positioning Field for Local Navigation in Enclosed Spaces / M. V. Zhelamskij // Measurement Techniques. - 2014. - Vol. 57. - Is. 7. - Pp. 791-799. DOI: 10.1007/s11018-014-0538-5.

5. Zhelamskij M. The active magnetic tracking with scalable coverage: indoor navigation for smartphones / M. Zhelamskij // Journal of Sensors and Sensor Systems. - 2016. - Vol. 5. - Is. 2. - Pp. 355-371. DOI: 10.5194/jsss-5-355-2016.

6. Zhelamskij M. The Magnetic Tracker with Improved Properties for the Helmet-Mounted Cueing System / M. Zhelamskij // Journal of Aerospace Technology and Management. - 2016. - Vol. 8. - Is. 4. - Pp. 408-422. DOI: 10.5028/jatm.v8i4.660.

7. Каретников В. В. Лимитирующие гидрометеорологические факторы при использовании 3D электронных навигационных карт для проводки судов «река-море» плавания по внутренним водным путям / В. В. Каретников, Ю. Н. Андрюшечкин, А. А. Прохоренков // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2021. - Т. 13. - № 4. - С. 451-464. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-4-451-464.

8. Lee T. N. MagSLAM: Aerial simultaneous localization and mapping using Earth’s magnetic anomaly field / T. N. Lee, A. J. Canciani // Navigation. - 2020. - Vol. 67. - Is 1. - Pp. 95-107. DOI: 10.1002/navi.352.

9. Lee T. N. Aerial Simultaneous Localization and Mapping Using Earth’s Magnetic Anomaly Field / T. N. Lee, A. J. Canciani // Proceedings of the 2019 International Technical Meeting of The Institute of Navigation. - ION, 2019. - Pp. 471-485. DOI: 10.33012/2019.16705.

10. Ююкин И. В. Корреляционно-экстремальная навигация по геофизическим полям на основе использования сплайновой технологии / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2021. - Т. 13. - № 4. - С. 505-517. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-4-505-517.

11. Minligareev V. T. Geophysical Support of Magnetometer Autonomous Navigation Systems / V. T. Minligareev, E. N. Khotenko, V. V. Tregubov, T. V. Sazonova, V. L. Kravchenok // 2020 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). - IEEE, 2020. - Pp. 1-4. DOI: 10.23919/ICINS43216.2020.9133835.

12. Минлигареев В. Т. Картографическое обеспечение альтернативной навигации по геофизическим полям Земли / В. Т. Минлигареев, А. В. Алексеева, В. Ю. Алексеев, Ю. М. Качановский, Е. А. Паньшин, А. Ю. Репин, Е. Н. Хотенко // Авиационное приборостроение. - 2018. - № 11. - С. 18-22. DOI: 10.25791/aviakosmos.11.2018.258.

13. Ююкин И. В. Оптимальная сплайн-траектория информативного маршрута судна в корреляционно-экстремальной навигации / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2022. - Т. 14. - № 2. - С. 80-97. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-2-80-97.

14. Carroll J. D. Terrian-referenced navigation using a steerable-laser measurement sensor /j. D. Carroll, A. J. Canciani // NAVIGATION, Journal of the Institute of Navigation. - 2021. - Vol. 68. - Is 1. - Pp. 115-134. DOI: 10.1002/navi.406.

15. Ююкин И. В. Применение метода сплайн-функций при компьютерной визуализации подводного рельефа / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2021. - Т. 13. - № 1. - С. 64-79. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-1-64-79.

16. Ююкин И. В. Аппроксимация геоида методами сплайн-функций / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2020. - Т. 12. - № 2. - С. 262-271. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-2-262-271.

17. Ююкин И. В. Сплайновая альтернатива множественности использования референц-эллипсоидов в судовождении / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2021. - Т. 13. - № 6. - С. 804-818. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-6-804-818.

18. Lavrenov R. Modified Spline-Based Navigation: Guaranteed Safety for Obstacle Avoidance / R. Lavrenov, F. Matsuno, E. Magid // International Conference on Interactive Collaborative Robotics. - Springer, Cham, 2017. - Vol. 10459. - Pp. 123-133. DOI: 10.1007/978-3-319-66471-2_14.

19. Ююкин И. В. Навигационное использование e-Loran в модификации с методом сплайн-функций / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2020. - Т. 12. - № 4. - С. 703-715. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-4-703-715.

20. Yan W. An eLoran Signal Cycle Identification Method Based on Joint Time-Frequence Domain / W. Yan, M. Dong, S. Li, C. Yang, J. Yuan, Z. Hu, Y. Hua // Remote Sensing. - 2022. - Vol. 14. - Is. 2. - Pp. 250. DOI: 10.3390/rs14020250.

21. Son P. W. eLoran: Resilient Positioning, Navigation, and Timing Infrastructure in Maritime Areas / P. W. Son, S. G. Park, Y. Han, K. Seo // IEEE Access. - 2020. - Vol. 8. - Pp. 193708-193716. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3033215.

22. Vulfovich B. New Ideas for Celestial Navigation in the Third Millennium/ B. Vulfovich, V. Fogilev // The Journal of Navigation. - 2010. - Vol. 63. - Is. 2. - Pp. 373-378. DOI: 10.1017/S0373463309990348.

23. Ююкин И. В. Сплайн-интерполяция навигационных изолиний / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 6. - С. 1026-1036. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-6-1026-1036.

24. Копытенко Ю. А. Анализ информативности магнитного поля Земли для автономной корреляционно-экстремальной навигации / Ю. А. Копытенко, А. А. Петрова, Л. И. Августов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. - 2017. - Т. 10. - № 1. - С. 61-67. DOI: 10.7868/S2073667317010075.

25. Ююкин И. В. Сплайновое синтезирование картографированного эталона информативности поля в задаче корреляционно-экстремальной навигации / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2022. - Т. 14. - № 1. - С. 25-39. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-1-25-39.

26. Kopytenko Y. A. Analysis of the Informativity of the Earth’s Magnetic Field in Near-Earth Space / Y. A. Kopytenko, A. A. Petrova, I. S. Guriev, P. V. Labetsky, O. V. Latysheva // Cosmic Research. - 2021. - Vol. 59. - Is. 3. - Pp. 143-156. DOI: 10.1134/S0010952521030059.

27. Canciani A. J. An Analysis of the Benefits and Difficulties of Aerial Magnetic Vector Navigation / A. J. Canciani, C. J. Brennan // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. - 2020. - Vol. 56. - Is. 6. - Pp. 4161-4176. DOI: 10.1109/TAES.2020.2987475.

28. Canciani A. J. Absolute Positioning Using the Earth’s Magnetic Anomaly Field: doctoral dissertation / A. J. Canciani. - Ohio: Wright-Patterson Air Force Base, 2016. - 264 p. DTIC: AD1017870.

29. Canciani A. J. Magnetic Navigation on an F-16 Aircraft Using Online Calibration / A. J. Canciani // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System. - 2022. - Vol. 58. - Is. 1. - Pp. 420-434. DOI: 10.1109/TAES.2021.3101567.

30. Specht M. Determination of Navigation System Positioning Accuracy Using the Reliability Method Based on Real Measurements / M. Specht // Remote Sensing. - 2021. - Vol. 13. - Is. 21. - Pp. 4424. DOI: 10.3390/rs13214424.

31. Specht M. Consistency analysis of global positioning system position errors with typical statistical distributions / M. Specht // The Journal of Navigation. - 2021. - Vol. 74. - Is. 6. - Pp. 1201-1218. DOI: 10.1017/S0373463321000485.

32. Specht M. Statistical Distribution Analysis of Navigation Positioning System Errors - Issue of Empirical Sample Size / M. Specht // Sensors. - 2020. - Vol. 20. - Is. 24. - Pp. 7144. DOI: 10.3390/s20247144.

33. Merry K. Smartphone GPS accuracy study in an urban environment / K. Merry, P. Bettinger // PloS one. - 2019. - Vol. 14. - Is. 7. - Pp. e0219890. DOI: 10.1371/journal.pone.0219890.

34. Karshakov E. V. Formation of a direct index to assist the pilot in conducting airborne geophysical survey / E. V. Karshakov, A. M. Shevchenko, A. M. Garakoev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2020. - Vol. 984. - No. 1. - Pp. 012015. DOI: 10.1088/1757-899X/984/1/012015.

35. Specht M. Consistency of the Empirical Distributions of Navigation Positioning System Errors with Theoretical Distributions - Comparative Analysis of the DGPS and EGNOS Systems in the Years 2006 and 2014 / M. Specht // Sensors. - 2020. - Vol. 21. - Is. 1. - Pp. 31. DOI: 10.3390/s21010031.

36. Canciani A. Improved magnetic anomaly navigation accuracy through cooperative navigation / A. Canciani, K. Brink // Proceedings of the ION 2017 Pacific PNT Meeting. - ION, 2017. - Pp. 239-262. DOI: 10.33012/2017.15059.

37. Yang C. Cooperative Navigation Using Pairwise Communication with Ranging and Magnetic Anomaly Measurements / C. Yang, J. Strader, Y. Gu, A. Canciani, K. Brink // Journal of Aerospace Information Systems. - 2020. - Vol. 17. - Is. 11. - Pp. 624-633. DOI: 10.2514/1.I010785.

38. Yang C. A Scalable Framework for Map Matching Based Cooperative Localization / C. Yang, J. Strader, Y. Gu // Sensors. - 2021. - Vol. 21. - Is. 19. - Pp. 6400. DOI: 10.3390/s21196400.

39. Bai H. Future Uncertainty-Based Control for Relative Navigation in GPS-Denied Environments / H. Bai, C. N. Taylor // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System. - 2020. - Vol. 56. - Is. 5. - Pp. 3491-3501. DOI: 10.1109/TAES.2020.2974052.

40. Ward K. C. Design and Analysis of Descent-to-Landing Navigation Incorporating Terrain Effects / K. C. Ward, G. S. Fritsch, J. C. Helmuth, K. J. DeMars, J. S. McCabe // Journal of Spacecraft and Rockets. - 2020. - Vol. 57. - Is. 2. - Pp. 261-277. DOI: 10.2514/1.A34533.

41. Canciani A. Positioning Using Magnetic Fields / A. Canciani, J. F. Raquet // Position, Navigation, and Timing Technologies in the 21st Century: Integrated Satellite Navigation, Sensor Systems, and Civil Applications. - 2020. - Vol. 2. - Pp. 1521-1540. DOI: 10.1002/9781119458555.ch48.

42. Ююкин И. В. Оптимизация моделирования навигационной изоповерхности методами базисных финитных сплайнов / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 2. - С. 266-274. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-2-266-274.

43. Ююкин И. В. Поиск ошибок в базе навигационных данных методом визуализации сплайновой изоповерхности / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2020. - Т. 12. - № 3. - С. 481-491. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-3-481-491.

44. Penner A. ODF Using a 5-Point B-Spline / A. Penner // Fitting Splines to a Parametric Function. Springer Briefs in Computer Sciences. - Springer, Cham, 2019. - Pp. 37-42. DOI: 10.1007/978-3-030-12551-6_6.

45. Ююкин И. В. Интерполяция навигационной функции сплайном лагранжева типа / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2020. - Т. 12. - № 1. - С. 57-70. DOI: 10.21821/2309-5180-2020-12-1-57-70.

46. Ююкин И. В. Модификация метода наименьших квадратов для сплайн-аппроксимации навигационной изоповерхности / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 4. - С. 631-639. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-4-631-639.

47. Getscher T. Magnetic Gradient Tensor Framework for Attitude-Free Position Estimation / T. Getscher, P. Florenta // Proceedings of the 2019 International Technical Meeting of The Institute of Navigation. - ION, 2019. - Pp. 495-507. DOI: 10.33012/2019.16706.

48. Canciani A. J. Validation of a Magnetic Anomaly Navigation Model with Flight Test Data / A. J. Canciani, J. F. Raquet // Proceedings of the 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS + 2016). - ION, 2016. - Pp. 1241-1262. DOI: 10.33012/2016.14852.

49. Ююкин И. В. Синтез кубическими сплайнами искаженной изолинии в аспекте использования дифференциального режима спутниковой навигации / И. В. Ююкин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2021. - Т. 13. - № 3. - С. 341-358. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-3-341-358.

50. Волковицкий А. К. Применение средств компьютерного моделирования для анализа функционирования магнитоградиентных систем / А. К. Волковицкий, А. И. Гладышев, Д. А. Гольдин, Е. В. Каршаков, Б. В. Павлов, М. Ю. Тхоренко // Проблемы управления. - 2021.- № 3. - С. 65-74. DOI: 10.25728/pu.2021.3.8.

51. Karshakov E. V. Aeromagnetic Gradiometry and Its Application to Navigation / E. V. Karshakov, M. Y. Tkhorenko, B. V. Pavlov // Automation and Remote Control. - 2018. - Vol. 79. - Is. 5. - Pp. 897-910. DOI: 10.1134/S0005117918050107.

52. Karshakov E. Promising Aircraft Navigation Systems with Use of Physical Fields: Stationary Magnetic Field Gradient, Gravity Gradient, Alternating Magnetic Field / E. Karshakov, B. Pavlov, I. Papusha, M. Tkhorenko // 2020 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). - IEEE, 2020. - Pp. 1-9. DOI: 10.23919/ICINS43215.2020.9133854.

53. Evstifeev M. I. Dynamics of Onboard Gravity Gradiometers / M. I. Evstifeev // Gyroscopy and Navigation. - 2020. - Vol. 11. - Is. 1. - Pp. 13-24. DOI: 10.1134/S207510872001006X.

54. Karshakov E. V. Promising Map-Aided Aircraft Navigation Systems / E. V. Karshakov, B. V. Pavlov, M. Y. Tkhorenko, I. A. Papusha // Gyroscopy and Navigation. - 2021. - Vol. 12. - Is. 1. - Pp. 38-49. DOI: 10.1134/S2075108721010077.

55. Yuyukin I. V. Configuring the fan of spline gradients when approximating the navigational isoline with a linear piecewise functional / I. V. Yuyukin // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2021. - Vol. 2032. - № 1. - Pp. 012054. DOI: 10.1088/1742-6596/2032/1/012054.