Farewell to GPS: неочевидные последствия отключения бесплатного сервиса

Как работает ГЛОНАСС / GPS и другие системы позиционирования

Если вы знакомы с матчастью, смело пропускайте эту главу. Но учтите, что мы будем регулярно ссылаться на нее в дальнейших объяснениях.

Часто говорят, что теория относительности Эйнштейна не имеет никакого прикладного значения. Скорее всего, такой человек на вопрос, о какой именно теории относительности идет речь (о Специальной или об Общей теории относительности), замнется с ответом. Ну а вы в ответ просто расскажите ему, что каждый день миллиарды людей на Земле пользуются технологией, которая невозможна без учета Общей теории относительности.

Идея системы позиционирования простая: запускаем спутник, запоминаем его орбиту, спутник бегает по орбите и излучает радиосигнал. По скорости получения сигнала от спутника можно сказать, на каком расстоянии вы от него находитесь. Один спутник дает сферу решений, два — кольцо, три спутника уже дадут всего две возможные точки. С учетом неизбежных погрешностей система позиционирования начинает определять ваше положение, если хорошо «видит» четыре спутника.

Всего 24 космических аппаратов глобального позиционирования на орбите достаточно, чтобы разово видеть нужное количество (то есть те самые четыре спутника) в любой точке Земли. Можно поднять на орбиту и меньше спутников, если вам нужно позиционирование только на ограниченной территории — как это сделала Япония, например. Но США и Россия (в недалеком будущем к ним должна присоединиться Европа с проектом Galileo) решили сделать глобальные системы позиционирования, которые работают по всему миру, то есть запустить как минимум те самые две дюжины спутников. И даже думают о вспомогательных для еще более точной работы.

От системы к системе алгоритмы обработки данных несколько отличаются, но в целом они дают точность позиционирования на поверхности Земли от полуметра до пары метров и десяток метров по вертикали.

Так можно ли отключить такую систему?

Как отключить GPS

Раз уж мы начали с базовых основ работы GPS, то вот вам еще пара деталей о том, как работает именно эта система глобального позиционирования. Спутники уточняют свое положение, связываясь с наземными станциями, потом передают его в эфир на двух частотах. Этот сигнал ловит любой пользователь, имеющий соответствующее оборудование, сейчас оно открыто доступно на рынке. Ранее одна частота использовалась для военных нужд и давала максимальную точность позиционирования. А вторая, гражданская, искусственно загрублялась, давая сравнительно большую ошибку позиционирования в сотню метров.

На данный момент гражданским приборам доступны обе радиочастоты, и при большом количестве улавливаемых спутников (на открытом месте) точность гражданских приборов не хуже, чем у военных. По крайней мере официально. То есть сигнал отключить нельзя?

Раз сигнал искусственного происхождения (не пульсар там какой-нибудь), включенный человеком, то человек может его и отключить, конечно.

Во-первых, теоретически можно отключить передачу сигнала со спутника или выдавать с него неправильные данные о положении, пролетая над определенной территорией. Но навскидку каждый спутник обслуживает территорию площадью примерно 4000 на 4000 километров, а это значит, что с большой вероятностью, кроме России, будут немножко «отключены» и сопредельные страны.

Во-вторых, скорее всего, сохраняется возможность зашифровать данные со спутника (правда, в открытых данных по GPS мы не нашли этому подтверждения). Тогда военные навигаторы смогут его расшифровать и уточнить свое местоположение. Для гражданских декодирование зашифрованного сигнала недоступно и точность позиционирования будет снижена или даже могут приходить умышленно искаженные данные. Тогда координата будет выдаваться с большой погрешностью, как было на заре GPS, когда военные могли определять свое местоположение с точностью до метров, а гражданские — плюс-минус 200 метров. В этом варианте гражданские пользователи GPS в странах Восточной Европы и Дальнего Востока также пострадают.

Наконец, самый простой способ сбить работу GPS — внесение помех с помощью наземной станции. Причем оно может быть весьма деликатным: например, москвичи знают, что навигационные программы часто «телепортируют» проезжающие около Кремля автомобили во Внуково. А может быть и опасным: в 2019 году Израилю пришлось перенаправлять в другой аэропорт самолеты, собиравшиеся совершить посадку в авиагавани Тель-Авива: в этом районе наблюдались серьезные перебои с работой GPS. Подозрения даже пали на Россию: некоторые аналитики предположили, что это было следствием работы российских средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) в соседней Сирии.

Но отключения GPS на территории России с помощью РЭБ из соседних стран — самый малореальный вариант. Фактически это объявление войны, ведь под прикрытием помех удобно проскочить ракетам и боевым аппаратам.

В результате отметим, что проще всего «гасить» GPS с Земли, устанавливая радиопомехи несильному сигналу, идущему со спутника, расположенного на высокой орбите. Это может сделать страна на своей территории (например, чтобы сбить с курса ракеты противника, но о военных ниже). Второй вариант — глушить сигнал GPS средствами РЭБ или более тонко действующими спуферами: они передают более мощный, чем у спутников, сигнал с фальшивыми координатами. Но дальность подобной атаки невелика. В свое время поступали сообщения о нарушении работы GPS во время боевых действий США в Иране и Югославии. Но непонятно, умышленно ли это было, ведь у атакуемых стран практически не было высокоточного оружия, завязанного на GPS.

ГЛОНАСС всех спасет?

В чем можно согласиться с Дмитрием Рогозиным, так это в том, что отключение GPS не окажет фатального воздействия на многих пользователей в России. Хотя и с большими сложностями и не с первого захода, но Россия создала систему глобального позиционирования ГЛОНАСС, которая лучше GPS работает в высоких широтах. Просто спутники этой системы лучше учитывают «северное расположение нашей страны».

Более того, поддержка ГЛОНАСС встроена на уровне чипов смартфонов практически у всех топовых производителей мобильных систем-на-чипе, которые используются в 90% смартфонах. А другие вы вряд ли видели на российском рынке (разве что как-то специально постарались). Так что таксисты и курьеры точно не пострадают.

Но здесь сразу возникает вопрос: могут ли производители гаджетов отключить ГЛОНАСС? Теоретически производители могут убрать поддержку российской системы в прошивке гаджетов или в обновлении картографических сервисов. Тут стоит вспомнить, что четырех спутников достаточно лишь теоретически. Но зачем это делать?

ГЛОНАСС не получает никаких данных о приемниках, хотя иногда даже конгрессмены в США этого не понимают. А вот поддерживать больше одной системы спутникового позиционирования выгодно. Чем их будет больше, тем точнее будет определено местоположение. А в городе, когда вокруг дома, и вовсе не факт, что на оставшемся кусочке неба найдется нужное количество GPS-спутников. А с ГЛОНАСС шансы на это вдвое выше. При этом в чистом виде сервис ГЛОНАСС не требует денег, не собирает данные.

Пострадает ли Россия? Прошивку можно сменить и обратно, картографические сервисы у нас есть и отечественные. А вот на территории «остального мира» без ГЛОНАСС системы навигации с GPS часто будут работать хуже. Так что со стороны США и союзников попытка отключения ГЛОНАСС будет в жанре «стрельбы себе в ногу», но к этому уже не привыкать в нашем безумном мире.

Если простых пользователей, а также многочисленных сотрудников логистических служб мы «вывели из-под удара», так как они могут обойтись без GPS (даже если США удастся реализовать его отключение на ограниченной территории), им вполне достаточно отечественного ГЛОНАСС — то с профессиональной техникой ситуация сложнее.

Поддержка ГЛОНАСС обеспечена в речных и морских судах, а вот с авиапарком есть вопросы. В иностранных самолетах, используемых российскими авиакомпаниями, наша навигационная система должна была быть интегрирована как раз в этом году. Однако авиаэксперт в ответ на вопрос Naked Science сообщил, что не было данных об оснащении ГЛОНАСС иностранных самолетов. Теоретически это потребует большего внимания и мастерства пилотов, а также может сказаться на работе диспетчеров.

Стоит также отметить, что при отключении GPS перестают корректно работать современные западные энергосистемы (вплоть до крупных блэкаутов), и ряд банкоматов. Поэтому любые неизбирательные попытки отключить или глушить GPS над Россией могут привести к неожиданным сложностям в соседних с ней западных странах. Могу заглохнуть даже некоторые станки (те, которые нельзя перемещать по договору поставки).

Мир будущего имени Альберта Эйнштейна

Пример с самолетами в израильском аэропорту, пожалуй, первый показательный случай, что было бы в мире без глобальных навигационных систем. Могут самолеты долетать и садиться без GPS? В целом да, ведь регулярные рейсы существовали задолго до появления спутниковой навигации. Но навигация позволяет уменьшить экипаж, увеличить пассажиропотоки, позволяет безопасно садиться и взлетать самолетам по несколько штук за минуту даже в не самых простых погодных условиях.

Спутниковая навигация — не просто удобство или точность. Это еще и скорость, возможность эффективно функционировать в мире, где нужно быстро перевозить миллиарды тонн грузов для миллиардов людей. Опытный летчик посадит самолет без GPS, таксист вспомнит былые навыки и найдет маршрут по картам, но спутниковая навигация сильно упрощает процесс и позволяет на порядок увеличить количество сотрудников, которые могут управлять такси и самолетом (при этом, естественно, разница в необходимой подготовке сохраняется).

ГЛОНАСС, GPS и тому подобное — самый массовый пример применения теории относительности, как мы уже отметили в начале этой статьи. Для определения точной локации необходимо не только получить сигнал от спутника и его местоположение. Нужно вычислить, сколько шел сигнал, а тут скорость света (с которой движутся радиоволны) оказывается не такой уж быстрой. Разница во времени между наблюдателем и системой отсчета, связанной со спутником, порождает ошибку в определении координат в десять километров в день. То есть без учета эффектов ОТО спутники GPS были бы бесполезны.

Но и этой беспрецедентной точности можно помочь. Технология A-GPS позволяет программам быстрее получать данные о траекториях спутников и повышает точность геопозиционирования до десятков сантиметров. Вышки дифференциальной коррекции GPS позволяют уменьшить погрешность до сантиметров. Это важно как для геодезистов, так и для многих современных технологий. Роботы-доставщики, дроны и другая новейшая робототехника часто не могут себе позволить ошибку на 10 см и при этом не всегда могут ориентироваться «по картинке». Например, автомобиль на автопилоте едет по разметкам и знакам. Но может оказаться в плохих погодных условиях или на дороге без разметки, и ему будут совершенно необходимы координаты от GPS. И он не может себе позволить ошибку в 2 метра (средняя точность GPS): например, в Австралии уже обсуждается опасность ошибки автопилотов из-за … дрейфа континента!

Вы себе даже не представляете, насколько ОТО связана с GPS. Одно из понятий теории относительности — интервал, в формуле которого связываются координаты, время и скорость света. В результате на практике мы не только можем измерять координаты, зная скорость света и время распространения сигнала, но и наоборот. В базовых станциях сотовой связи известны их точные координаты, и их местоположение используется для того, чтобы по спутникам очень точно отсчитывать время. Это нужно, чтобы правильно синхронизировать потоки информации в разных каналах и не допускать их наложения. То есть опять дело в скорости, в производительности и пропускной способности, которая необходима нашему миру, — для голосовой связи GPS на вышках сотовой связи был не нужен.

Поэтому мир без систем глобального позиционирования выживет, но будет мучительно пытаться их чем-то заменить, потому что они значительно его ускоряют, позволяют получить быстрый интернет, сервисы с низкой задержкой и даже на ожидание физических перемещений тратить меньше времени (правда, иногда курьер, которого вы так ждете, сумеет заблудиться даже с приложением-картой в смартфоне — но ГЛОНАСС в этом не виноват).

Так что глобальные спутниковые системы — проводники в мир будущего. Причем мирного.

Мир без глобальных систем позиционирования

Если системы GPS и ГЛОНАСС так легко заглушить, то зачем они военным? Противник может не иметь эффективных средств РЭБ, или маневры могут происходить на больших площадях, вдали от вражеских постановщиков помех. Поэтому спутниковая навигация все-таки пригодится. А шифрование сигнала и его обработка позволяют как минимум обнаружить влияние РЭБ и переключиться на альтернативные способы наведения.

Например, крылатые ракеты ориентируются по рельефу местности. Баллистические ракеты могут иметь звездный датчик ориентации (использовался еще со времен Р7) и уточнять маршрут по звёздам, как когда-то первые мореплаватели. Наконец, инерциальные системы не сходят со сцены, наоборот — совершенствуются, набираясь точности. Ведь карта мира хорошо известна, можно заранее рассчитать маршрут и с помощью гироскопов отслеживать правильность полета. Конечно, это получается не так прецизионно, как по GPS или ГЛОНАСС (сантиметровая точность не получится), но зато «отключить» такую систему навигации можно только вместе с ракетой.

Система межзвездной навигации

Мир геопозиционирования построен на теории Эйнштейна. А Россия тем временем строит уже межзвездную навигацию. В полутора миллионов километрах от нашей планеты работает российская обсерватория «Спектр-РГ». Она включает российский и немецкий телескопы, которые построили самую полную на данный момент карту неба в рентгеновском диапазоне.

Как уже рассказывал Naked Science, немецкий телескоп сейчас временно отключен, поэтому российские исследователи переключились на программу ART-XC Legacy Program. В частности, по ней российский рентгеновский телескоп ART-XC наблюдает миллисекундные рентгеновские пульсары. Скорее всего, это нейтронные звезды, активно поглощающие вещество из окружающего их аккреционного диска. Высокая интенсивность и стабильность периода излучения позволяют использовать их как «маяки». Ученые ИКИ РАН заявили, что на основе таких «маяков» научились определять положение аппарата в пространстве с точностью до десяти километров. 

Десять километров для объекта, который находится в полутора миллионах километров от нас. Погоня за точностью выходит за пределы Земли!