重力导航作为未来的工具


俄罗斯和周围地区的比例尺为1:2 500 000的重力地图。 A.P. 卡平斯基,2016 / vsegei.com


存在几种类型的导航系统,并且在操作原理和测量精度方面有所不同,它们已被广泛使用。 将来,可能会有一个全新的系统投入运行,该系统根据地球重力场(GPZ)的特征计算坐标。 可以预期,这种确定位置的方法将特别准确-同时复杂度很高。

透视方向


发达的太空小组的存在和所有基本技术的改进为世界科学开辟了新的机遇。 特别地,用于测量行星和其表面上的物体的物理场的高精度仪器的存在使得可以编译适用于各种领域的各种详细模型。

在过去的几年中,我们在国内外进行了所谓的方向研究。 引力导航系统。 进行了必要的工作,正在收集新数据,进行处理以备将来使用。 新导航系统的基本原理已经确定,其创建过程仍在继续。

在俄罗斯,一些组织正在朝这个方向努力。 特别是,来自Rosstandart的全俄物理技术与无线电工程测量研究所(VNIIFTRI)致力于创建用于收集数据和处理有关加气站的信息的技术,以创建新的导航辅助设备。


GLONASS卫星系统的工作原理。 该综合大楼严重依赖无线电通信,这会带来风险。 图形IAC KVNO / glonass-iac.ru

前几天出现了有关重力导航的最新报道。 Zvezda周刊参考Rosstandart的领导,写了关于一个有前途的项目的继续工作和收到新成果的文章。 他们还回顾了新技术及其应用的好处。

测量与计算


引力导航的概念基于这样一个事实,即在行星表面(或其上方)不同点的GEA参数略有不同。 地球不是理想的球或椭球; 其表面具有复杂的浮雕,地壳的厚度由不同的材料组成。 所有这些都会影响表面及其附近的重力参数。 通常,实际值与给定点的计算值不同,这称为重力异常。 另外,由于多种因素,在不同点观察到不同的离心力。

该概念可通过进一步处理在不同点测量GPZ参数和离心力。 生成的重量地图可以输入到导航设备的内存中,并用于计算。 根据GEA上的数据,可以对惯性或卫星导航系统进行校正。 在这种情况下,整个复杂系统的总误差将减少至厘米。 此外,根据GPZ数据进行校正的ANN具有最高的抗噪能力。

观察表明,GPZ是导航系统的相当可靠的“标准”。 重力场的变化率远低于磁场的变化率,并且GPZ数据可以使用数十年,而不会显着降低计算精度。 但是,地震和其他过程可能会改变天然气处理厂的状态,并需要更新地图。

实际措施


根据最近的报道,一年多来,俄罗斯科学家们和他们的外国同事一样,一直在收集数据,寻找引力异常并编制重力图。 飞机和卫星上的专用设备可在许多点上测量场的值,并将其传输到地面计算中心。 这项工作的结果是可以提供高精度导航的地图。

重力导航作为未来的工具
GLONASS航天器进行了各种修改。 图形IAC KVNO / glonass-iac.ru

也正在开发能够使用新地图并与其他设备进行交互的导航设备。 但是,据我们所知,此类项目尚未使适合实际使用的产品出现。

缺乏精确的地球表面重要部分的地图可能会阻碍引入新的导航原理。 实际上,目前,通过气体处理厂进行导航实际上并不比人工神经网络或卫星系统具有特殊优势。 只有在完成所有必要的研究和设计工作后,情况才会改变。

应用领域


新的导航原理可以在需要精确确定坐标,独立于外部信号源和其他特定功能的各个领域中找到应用。 首先,这是军事事务。 适于操作的重力导航系统的出现将提高各种设备和武器模型的战斗力。

军方可能对提高坐标计算的准确性和独特的抗噪性感兴趣。 实际上,影响此类系统的唯一方法是人为改变GPP,这需要付出巨大的努力,甚至根本不可能。

使用重力地图的高精度制导导弹可以更精确地遵循给定的路线,并以较小的偏差命中具有已知坐标的目标。 巡航导弹和弹道导弹均可使用这种原理。 然而,对于这样的操作,将需要GPP在路线上的准确且最新的地图,这对侦察和打击的组织提出了特殊要求。


根据NASA GRACE任务,地球表面的引力异常。 图片由NASA / Earthobservatory.nasa.gov

新的导航原理对科学非常感兴趣。 在他们的帮助下,可以进行更精确的结合,这在许多领域的各种研究中都非常有用。 数据收集的准确性得以提高,这可以成为新的重要发现的基础。

我们不应忘记民用和商业运输。 在正常情况下,轮船或飞机有足够的助航设备,但在某些情况下可能需要更精确的系统。 通过GPP的成熟,高效的导航方式的出现可能会引起飞机制造商和造船商以及商业运营商的兴趣。

等待成功


根据最近的报道,VNIIFTRI现在正在忙于编制不同区域的精确重量地图,以适合实际使用。 GPZ参数和观察到的力的数据将被处理并转换为便于使用的形式。 还在实践中开发导航设备以进行实施。

新方向的这两个组成部分都以高复杂性,持续时间和人工为特征。 不幸的是,即使是将新技术引入实践的大概日期也仍然未知。 另外,从各个领域的应用角度来看,这种发展的实际前景还不清楚。 尽管如此,工作仍在进行中,将来应该会取得实际成果。 如果新技术得以应用并达到期望,则将在许多领域发生根本性的变化。
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44 评论
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  1. rocket757 22 1月2020 05:17
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    随着电子技术的发展,为了进行高精度的测量和后续计算,不再需要具有机柜尺寸的组件! 也许不久之后,他们将创造出像普通电话一样大小的“人造鼻子”,我们将在没有狗的帮助下,沿着正确的路线前进……。
    但是,狗不仅是一种良好的香气,而且还是电子产品无法替代的忠实朋友。
    尽管对于某些人来说,智能手机已经比电子设备更重要了……
    1. pmkemcity 23 1月2020 06:34
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      但是,狗不仅是一种良好的香气,而且还是电子产品无法替代的忠实朋友。

      我不认识朋友,但是我已经有女朋友了:
      1. rocket757 23 1月2020 06:55
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        Quote:pmkemcity
        我不认识朋友,但是我已经有女朋友了:

        代孕..这是一种疾病! 至少,这是个人的疾病……但是不久之后,如果没有得到彻底的抑制,社会疾病就会成为现实。 am
        1. pmkemcity 23 1月2020 06:58
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          我的朋友沙里克(Sharik)吃了汤。 在朋友中间,这还不行。
          1. rocket757 23 1月2020 07:03
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            如果Tomagotchi是中国人,那么您可以做到。 谁知道他们使用什么聚合物,染料!
            我给骨头,波比克斯,雷克斯,自然...让它们保持健康。
            1. pmkemcity 23 1月2020 07:23
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              如果Tomagotchi是中国人,那么您可以做到。

              真正的朋友不会为了彼此的后悔而后悔。 “我的朋友”有个“女朋友”,所以她吃了泳帽。 显然,更多的是在街上和她成为“朋友”。
    2. 菲尔 23 1月2020 07:57
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      狗有10个分子来识别气味。 我有一只德国牧羊犬。 看来真相。
      1. rocket757 23 1月2020 08:40
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        大自然母亲试图给每个人生存所需的东西。
        只有一个人才能使用为生存而奉献的东西,摧毁许多不影响其生存的东西。
        我不会说大自然赋予我们这样的大脑而犯了一个错误,但事实并非如此,这一事实非常相似。
  2. 同样的lech 22 1月2020 05:52
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    但是,地震和其他过程可能会改变天然气处理厂的状态,并需要更新地图。

    哈...它们一直在发生...但是有趣的是,美国航母越过海洋表面可以在短时间内改变天然气加工厂的状态...因为在地球上一个小点上如此大量的铁绝对应该在仪器上留下任何痕迹。
    1. 思想家 22 1月2020 07:54
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      所以我有同样的想法。 如何信任这样的导航?
    2. Bar2 22 1月2020 10:21
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      最早发明重力仪的是俄罗斯物理学家B. B. 格利岑


      总的来说,所有现代重力仪都遵循这一原理。
      它曾经被称为地震仪。
      1. Bar2 22 1月2020 11:06
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        为了纪念发明人,该仪器上的计量单位是Gali(英里)。
        1. Yuriy_999 22 1月2020 12:57
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          为了纪念发明人,该仪器上的计量单位是Gali(英里)。

          为了纪念发明人什么? Gal单位-以Galileo命名的加速单位
      2. Undecim 22 1月2020 13:40
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        发明的第一台重力仪 rusky BB物理学家 格利岑
        它曾经被称为地震仪。
        用Feuchtwanger来解释,一个替代人在所有领域都是替代性的,即使在语法上也是如此。
        重力仪和地震仪是不同的仪器。 到目前为止,它们被称为。
        重力仪用于测量重力,而地震仪则用于记录地震波。
        Golitsyn通常不是构造地震仪,而是构造了一种电磁地震仪,用于各种重力计-石英重力计。 它们可以是摆式,弹道式,量子式等。
        1. Bar2 22 1月2020 15:22
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          Quote:Undecim
          用Feuchtwanger来解释,一个替代人在所有领域都是替代性的,即使在语法上也是如此。


          我也可以说,如果很愚蠢,那么这已经很长时间了。
          谁是第一个设计地震仪的人? 好吧,是的,第一个当然是一千年前的中国人,甚至是设计本身也被保存了下来。
          1. Undecim 22 1月2020 16:23
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            如果是愚蠢的话,那将是很长的时间。
            非常自我批评。
            我要特别重复一遍,这是由格利辛发明的一种电磁地震仪,即一种现代仪器。 没有人否认这一点。
            但这不是重力仪。
            1. iouris 22 1月2020 23:14
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              重力仪,地震仪和加速度计具有相似的操作和设计原理:敏感元件是测试体,弹簧。 但是测量范围和精度要求不同。
    3. Sasha_rulevoy 22 1月2020 18:15
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      Quote:同样的莱赫
      有趣的美国航母越过海洋表面可以在短时间内改变GPP的状态。


      我觉得不行。 航空母舰处于悬架状态。 也就是说,如果它重达十万吨,那么从粗略地说,他从那儿赶出了十万吨相同质量的水。 由于重力取决于质量,而不取决于其他任何东西,因此,在航空母舰上或仅在海上的重力不会发生变化。
      1. iouris 23 1月2020 15:37
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        最有可能的是,将无法构建GPZ点图-太多的工作,但是有什么意义呢? 如果您了解CENS(相关极端导航系统)的工作原理,那么您还将了解通过GPZ导航的可能(!)原理。 我的意思是,导航系统的基础是(自主)惯性导航系统(ANN),并且根据“外部”或校正性导航系统(无线电导航,天文,卫星,雷达或光学)的数据对坐标的“偏离”进行校正。
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  4. 评论已删除。
  5. 梭阀 22 1月2020 07:51
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    我想至少知道一个大概的行动原则。 即 如何从一个标量确定三维坐标。 是否考虑了太阳的影响,最重要的是考虑了月球重力?
    1. rudolff 22 1月2020 08:11
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      仅当唯一时才使用一个值。 等等,它的变化以及与重量图的比较。
      1. 梭阀 22 1月2020 12:18
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        引用:鲁道夫
        仅当唯一时才使用一个值。 等等,它的变化以及与重量图的比较。

        究竟应该与“重力图”进行比较? 太空中特定点的重力? 好吧 以及如何区分在三维空间中的哪一点获得了重力值?
        这个问题不是闲着的。 还有更多……更多……易于测量的数量。 例如,无线电信号。 具有用于最准确地记录无线电信号的设备的观察者可以计算到信号源的方位角(方向)。
        但是,要确定表面上的位置(即在平坦的两坐标系中),就不需要一个,而是需要两个具有已知坐标的信号源。 或确定信号源,两个具有已知坐标的记录器。 地理位置。 但是对于第三个坐标,在普通人中-高度,已经需要三分之一t.s。 具有已知坐标的枢轴点。 好吧,或者它是如何实际发生的-其他物理性质。 例如,测量调制信号或类似信号的多普勒效应。
        让我们做一个思想实验。 想象一下,您不是在快速飞行的巡航导弹内部,而是在气球中,沿着该路线积极地进行机动。 您是第一次来陌生地区。 但是你有一个重力图。 例如,它以m /(秒平方)的重力标度进行分级,精度至少为XNUMX个小数位,至少为百万分之一。 不要紧。 现在,有了气球中重力的含义,您需要了解您在地球上的什么位置。 你在做什么? 描述? 诸如月亮和太阳之类的小物体的重力可以忽略不计。 谁在乎它们会在水圈中引起复杂的潮汐波甚至水流? 我们有一张超高精度的地图。 您将与什么进行比较?
        1. rudolff 22 1月2020 12:42
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          给定区域的重力大小的唯一变化,带有重力图。 丘陵,丘陵,空洞。 最好有一个起点和人工神经网络。 对于怀特巴伦支海,我们分别具有正常的重力地图,而重力仪是真正有用的。 没有卡,收益几乎为零。 尽管有时它有助于弄清位置,但是如果ANN足够长的时间却没有观察到该位置的话。
  6. rudolff 22 1月2020 08:15
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    潜水艇的重力导航已经使用了近半个世纪。 问题是缺少重力图。 绘制这样的地图既昂贵又麻烦。
    1. 电视剧 22 1月2020 14:41
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      引用:鲁道夫
      绘制这样的地图既昂贵又麻烦。

      SPbF IZMIRAN中的地磁数据库
      参考卡供应GraviCENS。 获取有关海洋GPZ信息的主要手段是海洋重力测量和卫星测高。 作为Geophysics-R2010研究项目一部分进行的研究的主要成果之一是创建了一个实验性GPZ数据库,用于为有前途的CENS(相关极端导航和制导系统)提供地图支持。
      目前,卫星无线电高度计测量网络覆盖了世界海洋约80%的区域,这使得有可能确定准类星体(VKG)的高度,重力异常(AST)和垂直线偏差(RLL)的分量,且均方误差(RMS)为0,1-0,3, 5 m,7-0,5 MGal和2”。
      这样的制图精度可确保在GPZ上100x200 m的高度进行海上自主导航的精度;

      PS。
      仅靠重力是不够的。
      在美国,1996年,它是为BGG战略潜艇在旋转平台上的加速度计上创建的。 使用根据BGG的特殊程序,形成了船周围水下状况的3维图像。 如果有海床地形图,则对船上的人工神经网络读数进行校正。
      在BGG的帮助下,可以将作战单位的自导引至目标的质心。
  7. BARKAS 22 1月2020 09:05
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    人们相信,迟早都是一样,卫星将不得不拒绝那里太多的空间碎片。
  8. 米哈伊尔 22 1月2020 09:34
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    使用重力地图的高精度制导导弹可以更精确地遵循给定的路线,并以较小的偏差命中具有已知坐标的目标。 巡航导弹和弹道导弹均可使用这种原理。
    学习如何从大气干扰,发动机运行,火箭发动机存在下的燃料振动,火箭质量变化以及许多其他因素(这些因素比重力场的变化大许多个数量级)中滤除加速度仍然是一件小事。 重力计的精度应至少在几十米以内才能确保“精度提高”?
    1. EUG
      EUG 22 1月2020 10:11
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      根据您引用的因素,重力传感器的敏感元件的振荡频率很可能与重力场变化引起的振荡频率大不相同。 至少在无线电通信局的控制系统中,当处理来自传感器的信息时,由液体燃料的波动和结构元件的弹性引起的频率已被成功地成功过滤了很长时间。 通常,考虑强制振荡的前四个谐波,即低频和最携带能量的谐波。 而大气状态则取决于参数分布的概率特性。
      1. 米哈伊尔 22 1月2020 10:54
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        是的,我同意。 可以从重力场的缓慢变化中滤除高频振荡,但是谈论精度甚至为数十米还为时过早。 精确的重力计是非常精密的尺寸仪表。 惯性制导系统同样不受外界因素的影响,但可以设计并批量生产。 但是对于潜艇,该系统可能会派上用场。
      2. 梭阀 22 1月2020 12:27
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        Quote:Eug
        引力传感器中敏感元件的振荡频率很可能与您引述的因素有很大不同,而这是由重力场变化引起的。

        振荡频率? 我认为地球的引力场在空间的每个点上都是时间不变的东西。 记住-我们在热气球中。 为简单起见,让我们将其绑在表面上,以使其不会挂出并飞走。 我们到底在测量什么?
        1. 米哈伊尔 24 1月2020 08:48
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          它与运动过程中改变引力场有关。
          1. 梭阀 24 1月2020 09:34
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            Quote:迈克尔米
            它与运动过程中改变引力场有关。

            它根本无法解释任何内容,因为在运动中您需要除初始坐标外的所有其他内容并计算运动矢量。
            这甚至比通过显微镜观察移动的轮廓图还要糟糕。
    2. AKuzenka 22 1月2020 11:39
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      我将添加天体运动的影响。 由太阳和月亮引起的潮汐,没有人取消。
  9. EUG
    EUG 22 1月2020 09:55
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    GPZ导航系统是否可以不使用线性GPZ参数,而是使用面积参数,类似于TERCOM和DSMAC如何使用高程图? 好吧,仅在地图上建立Figration(正如我们在研究所所称的那样)是有风险的,而不是为了校正知名和发达的惯性系统。 尽管理论上重力系统的抗干扰性要比根据该区域的雷达图进行校正的系统高得多,但其精度将非常严重地取决于重力场的测量精度。 但是,由于各种因素,其参数如何以及在何种程度上发生变化,以及如何准确地考虑这些变化,还不是最新的。
  10. 操作者 22 1月2020 10:31
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    目前,通过GPZ导航不需要提高精度(与卫星系统相比),而只是提高精度(与惯性系统相比),目的是在制导系统中使用高超音速飞机和战斗部(由等离子包络线包围),以及水下车辆(无法持续使用卫星导航或底部声纳)。

    在2000年代初,重力引导系统的精确度约为200米,足以击中容量为100 kt或更高的热核装药目标。 但是,重力仪的尺寸太大,无法容纳BB的有限体积。 现在有所谓的 量子重力仪的尺寸和鞋盒的尺寸将减小。 可以预见,在绘制了详细的地球重力图并组织了基于卫星的地球变化监测系统之后,将获得更高的数量级精度。
  11. AKuzenka 22 1月2020 11:37
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    重力场的变化率远低于磁场的变化率,GPZ数据可以使用数十年,而不会显着降低计算精度。

    与往常一样,作者对这个话题的关注也没有增加。
    重力值连续变化。 因为 它是位置最靠近的天体,受到太阳和月亮的影响。 据信它们或多或少是稳定的,约2小时。 此外,由于天体的运动,测量精度降低。 技术大学的任何学生都知道这一点。 是的,任何人都可以使用此信息。
  12. iouris 22 1月2020 12:37
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    重力计长期以来一直用于勘探。 但是,像加速度计和陀螺仪一样,我们的重力计始终具有明显较差的精度特性。 尽管已经做了一些工作,但没有证据表明俄罗斯联邦已经达到了可以将该方法付诸实践的技术水平。 但是我们能够做的是“集成”主要测量值(来自传感器的信号)。 这是纯数学。 另外,现代机载计算机的计算能力并没有产生计算机在1970年代中期和1980年代初期所具有的严格限制。 这就是“未来的工具”。 简而言之,对于未来,需要突破行业的领先技术。 这意味着某些人必须创建适当的系统来产生基础科学和应用科学领域的相关成就。
    1. baursak 22 1月2020 13:55
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      在90年代中期,当我们要求美国人进行投资时,我们向他们展示了几乎所有的GKZ储量,甚至包括战略性原材料(铀,金等)。 在地球物理材料中,仅高精度重力勘探的结果不允许解密。 我认为,高精度的地质重力勘测结果是构建良好的GPZ地图的良好起点。
  13. dgonni 22 1月2020 15:12
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    又有什么紧凑的重力仪,可以将其推入CR或至少放入飞机中,具有足够的精度?
    在制图方面,关键问题是是否有足够的卫星群。 有什么大问题。
  14. Sasha_rulevoy 22 1月2020 18:09
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    我的问题是完全愚蠢的:如果卫星和船上所有物体处于自由落体状态,即卫星如何测量地球的引力场? 在零重力下?
    1. iouris 22 1月2020 23:11
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      Quote:“在高精度的重力测量中,必须确保将重力仪调平时,其高度变化不超过3 mm,这相当于重力变化约1μGal。” 报价的结尾。
      有什么要补充的?
  15. VICTORIO 23 1月2020 14:55
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    反重力时代会很快到来吗?
    1. iouris 29 1月2020 12:44
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      当敌人准备攻击时,我们会更改地形(并手动更改)。 在这种情况下,重力场也会改变。
  16. Falcon5555 24 1月2020 17:38
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    看来完全是胡说八道。 飞机或任何其他移动物体的方向如何发现重力异常? 的确,如果装置不受重力(卫星)以外的任何外部力的影响,则内部的所有物体将处于“零重力”状态,即,所有物体均将通过重力飞行而加速。 除通过测量该设备的轨迹(例如,通过GPS)外,内部仪器无法检测到重力异常。 但是,如果有GPS,则不需要定向。 在大气中,以及在水和水下,总是存在某种由风,浪,流引起的微加速度。 似乎一切都变得更重或更容易了。 如何将其与重力异常区分开? 看来完全是胡说八道。