Заглушаването на спътникови сигнали се превръща в оръжие: Какви са алтернативите на GPS навигацията?

Първата жертва на войната е истината - тази фраза се приписва на древногръцкия драматург Есхил, но в съвременния свят нейният смисъл може да намери много аналогии. Един от примерите е надеждният GPS сигнал, който се използва от милиони хора по света за навигация и геолокация. Заглушаването на сигнали от глобалните навигационни спътникови системи (GNSS), каквато е американската GPS, е толкова лесно, че се превръща в нещо обичайно при започване на военни действия. По-мощните сигнали на съвременното оборудване могат да направят заглушаването по-трудно, но потенциалният мащаб на заплахата вече изглежда значително по-голям, отколкото се смяташе досега, пише The Economist.

Научно изследване на екип, ръководен от Тод Хъмфрис от Тексаския университет в Остин, проследява десетки мащабни нарушения на GPS сигнала в Европа и други части на света от 2019 г. насам до съзвездие от руски спътници. Изследването предполага, че заглушаване или дори непреднамерени смущения от Космоса биха могли да засегнат навигацията на цели континенти.

Една от алтернативите на навигационните спътникови системи е върху летателните апарати просто да се монтират камери, а софтуер да следи релефа отдолу. Това обаче работи само над сушата и може да бъде възпрепятствано от облаци, мъгла или тъмнина. Затова се разработват още два, коренно различни подхода. Единият използва квантови явления — ъгловия момент на фотоните и спина на електроните — за ориентиране по магнитни карти на земната повърхност. Другият определя местоположението чрез използване на радиовълни. Нито един от двата метода не може да се сравни (поне засега) с точността на GNSS, но и двата постепенно се превръщат в реалистични резервни решения.

Навигация в земното магнитно поле

Много скали са слабо магнитни, а разпределението им в земната кора води до неравномерни излъчвания в магнитното поле на планетата. Полученият „релеф“ от магнитни аномалии може да бъде засечен почти при всякакви условия и с еднаква ефективност над суша и море. Ако самолет бъде оборудван с магнитометър, способен да открива тези аномалии, както и със система за магнитна навигация (MagNav), която да ги съпоставя със съществуващи карти, позицията му може да бъде определена с висока точност.

Миналата година австралийската компания Q-CTRL демонстрира система MagNav, която при изпитателен полет над Нов Южен Уелс се оказа по-точна от една от водещите алтернативи на GPS.

Сензорът на Q-CTRL измерва локалната сила на магнитното поле чрез устройство, наречено оптично изпомпван магнитометър (OPM). То работи чрез насочване на лазер към облак от рубидиеви атоми. Ако лазерният лъч е настроен правилно, електроните на атомите преминават в състояние, при което стават изключително чувствителни към външни магнитни полета. След това втори лазер може да проследява поведението на електроните и да изчислява околното магнитно поле, което позволява на софтуера на системата да определи къде се намира тя върху картата.

Други компании обаче залагат на различен тип сензори, които могат да определят не само силата на магнитното поле, както вече правят устройствата на Q-CTRL, но и неговата посока. Те смятат, че ако подобни сензори се използват за навигация спрямо векторни карти, които самите те помагат да бъдат създадени, това може да позволи още по-прецизно определяне на местоположението.

Една от тези компании е канадската SBQuantum. Нейното устройство се нарича NV-диамантен магнитометър и, както подсказва името, в основата му стои диамант. Обикновено диамантите не са магнитни, но могат да бъдат направени чувствителни към магнитни полета чрез създаване на т.нар. азотно-вакантни (NV) центрове в кристалната им решетка. Това са места, при които два въглеродни атома в решетката са заменени от един атом азот, при което се образува свободно пространство, около което се събират електрони.

Когато диамантът бъде поставен в магнитно поле, регулярната структура на кристалната му решетка осигурява триизмерна координатна система, спрямо която може да се измерва поведението на електроните. Така могат да бъдат получени точни данни както за силата, така и за посоката на магнитното поле.

Засега основният недостатък и на двата подхода е липсата на достатъчно добри карти на магнитното поле на земната кора. Наличните карти често си противоречат и нерядко не са достатъчно точни за навигационни цели. Затова някои компании, сред които SBQuantum, извършват собствени изследователски полети, за да създадат свои карти. Други, като калифорнийската SandboxAQ, предлагат да се подобрят и обединят вече съществуващите разпокъсани картографски данни.

През юни компанията публикува разработка, в която предлага американските държавни агенции, въоръжените сили и изследователските институции да си сътрудничат за създаването на подобна система в глобален мащаб. Възможно е скоро това да се случи. През юни Доналд Тръмп призова за напредък в областта на квантовите сензори и нареди на американското военно ведомство да проучи възможните приложения. 

Радиовълните като глобален компас

Междувременно други изследователи разработват начини за определяне на позицията чрез вече съществуващи сателитни радиосигнали. Федералната комисия по комуникациите на САЩ настоява за повече работа по т.нар. „сигнали на възможността“ — радиосигнали, които са създадени за други цели, но могат да бъдат използвани и за навигация.

Един от подходите е измерването на Доплеровото отместване. Когато спътник се приближава, а след това се отдалечава, честотата на излъчвания от него сигнал изглежда първо се повишава, а после спада — подобно на свирката на преминаващ влак. Колкото по-близо до траекторията на спътника се намира наблюдателят, толкова по-бързо се променя честотата.

Информацията за орбитата на спътника може да бъде комбинирана с измерванията на честотата, за да бъде изчислено местоположението.

Един от пионерите в тази област е ASPIN Lab — изследователска лаборатория към щатския университет в Охайо. По време на демонстрация на круизен кораб край западното крайбрежие на Гренландия на 24 август 2024 г. нейната система, наречена Matrix, обработва сигнали от 21 широколентови спътника на Starlink и OneWeb, преминаващи над кораба.

При зададени начална позиция и скорост Matrix успява да определи местоположението на плавателния съд с отклонение от едва 27 метра спрямо реалната му позиция.

Определянето на позицията чрез Доплеровия ефект обаче има съществен недостатък: спътниците могат да се отклоняват от орбитите си или умишлено да бъдат маневрирани, за да избегнат потенциални сблъсъци. Това от своя страна може да доведе до грешки при изчисляването на позицията на приемника въз основа на Доплеровото отместване.

Стефано Томазин, специалист от Университета в Падуа, Италия, посочва, че грешки от между 100 метра и повече от километър са често срещани.

Точността обаче вероятно ще се подобри. SpaceX, собственикът на Starlink, вече публикува прогнози за орбитите на своите над 11 000 спътника. За разлика от данните за проследяване, предоставяни от Космическите сили на САЩ, тези прогнози отчитат и планираните маневри.

Според д-р Хъмфрис прогнозите на SpaceX обикновено се отклоняват с едва няколко метра от реалното местоположение на спътниците. Това би трябвало да позволи на приемниците да интерпретират наблюдаваното Доплерово отместване по-прецизно.

Друг подход към постигането на по-висока точност се разработва от Марк Псиаки от Virginia Tech. Според него решението е да се постави основен приемник на известно местоположение, който да сравнява очакваното Доплерово отместване от прогнозната траектория на спътника с реално наблюдаваното отместване. След това той може да излъчва корекции към приемници, намиращи се на неизвестни позиции.

С финансиране от Министерството на транспорта на САЩ Псиаки разработва подобен приемник, който според очакванията му ще позволи определяне на позицията с точност до около 10 метра.

Основният приемник на Псиаки би могъл да подпомогне и друг метод за използване на „сигнали на възможността“ — изчисляване на времето, необходимо на сигнала да достигне от източника до приемника.

Идеята, обяснява той, е известната позиция на основния приемник и прогнозната позиция на спътник Starlink да бъдат използвани, за да се определи точният момент, в който даден сигнал е бил излъчен. След това този момент на излъчване може да бъде предаден на приемници, чието местоположение е неизвестно.

Така всеки от тях ще може да определи колко време е било необходимо на същия сигнал да достигне до него и съответно на какво разстояние се намира от спътника. Като комбинира измервания на разстоянието от четири спътника Starlink с данни от Доплеровото отместване, приемникът, според Псиаки, би трябвало да може да определи позицията си с точност до едва два метра.

Търсенето на алтернативи на GPS вече обхваща дори сигналите от мобилните базови станции. При тестове с американските военновъздушни сили ASPIN Lab използва Matrix за навигация на самолет чрез проследяване на минимални промени в сигналите, излъчвани от клетъчни кули.

Matrix вече е лицензирана на компании и военни потребители, казва Зак Касас, директор на лабораторията, който очаква системата да бъде готова за пазара в рамките на две години.

Така по-надеждната навигация може би вече се крие в естествените и създадените от човека сигнали, които постоянно ни заобикалят.