Когато сателитите замлъкнат: атомният часовник подготвя човечеството за срива на GPS

Честите сривове на навигаторите принуждават авиацията да търси нови пътища.

На 17-ти януари 2025 г. самолетът Boeing 737 MAX 8-200 на Ryanair, изпълняващ полет от Лондон до Вилнюс, не успява да се приземи на местоназначението си. Когато пътническият самолет слиза на височина 259 метра, GPS системата внезапно отказва. Пилотите е трябвало аварийно да наберат височина и да се отправят към алтернативно летище във Варшава, като са изминали допълнителни 400 км.

Инцидентът в небето над Вилнюс е само един от многото в балтийското въздушно пространство. През последните три месеца литовските ръководители на полети са преброили повече от 800 случая на сривове в работата на GPS.

На 25-ти декември 2024 г. подобна ситуация доведе до истинска трагедия. Полет 8243 на азербайджанските авиолинии излита от Баку за Грозни и е трябвало да продължи към казахстанския град Актау. 40 минути след излитането пилотите се сблъскват с повреда в навигационната система. Предварителното разследване показа, че неизправността на GPS системата може да е била една от основните причини за аварийното кацане на летище Актау, където загинаха 35 пътници и трима членове на екипажа.

Уязвимостта на GPS застрашава не само авиацията. Електрическите мрежи, промишлените системи за контрол, комуникациите и банковите операции зависят от сателитните сигнали за точното време. Атакуващите са се научили не само да заглушават GPS сигналите, но и да ги подменят с фалшиви данни – тази техника се нарича спуфинг (spoofing). При този метод приемникът получава фалшиви радиосигнали, които имитират истинските съобщения от GPS сателитите. Устройството имитатор излъчва фалшиви данни за времето на изпращане на сигнала и координатите на сателита, което води до неправилно изчисляване на позицията на приемника.

В зоните на военни конфликти като Украйна, Близкия изток, Кашмир и Мианмар противниците вече активно използват заглушаване на GPS. Тази техника помага не само за решаване на тактически проблеми на бойното поле, но и за дестабилизиране на гражданската инфраструктура. От 2021 г. насам тези атаки зачестиха, а методите им стават все по-съвършени.

GPS е създаден през 70-те години на миналия век като военна технология за точно позициониране. Системата се състои от мрежа от сателити, оборудвани с атомни часовници. Принципът ѝ на работа е сходен с този на морската навигация: както моряците определят местоположението си по няколко радиофара, така GPS-приемникът изчислява координатите по сателитните сигнали. Всеки сателит непрекъснато излъчва радиосигнали с кодирана информация за позицията си в орбита и точния час на изпращане. Когато сигналите достигнат до Земята, приемникът измерва времето на тяхното прехвърляне и като знае скоростта на радиовълните, изчислява разстоянието до всеки сателит.

За да се получат пълните координати – географска ширина, дължина и височина – са необходими данните от поне четири сателита. Трите от тях образуват пресечната точка на три сфери на повърхността на Земята, а четвъртият помага за определяне на надморската височина и за коригиране на грешките при измерване на времето.

Атомните часовници на GPS сателитите са изключително точни: те се отклоняват само с няколко милиардни части от секундата на ден. Приемникът изчислява своите координати, като анализира кога са достигнали сигналите от различните сателити. Ако времевите маркери са дори леко изкривени, грешката при определяне на местоположението може да достигне десетки или стотици метри.

Банките не могат да се справят без GPS при високочестотните търговски операции, при които е необходима точност до милисекунди. Енергетиците използват сателитните сигнали, за да регулират електроснабдяването и да разпределят товара в мрежите. Телекомуникационните компании се нуждаят от GPS за синхронизиране на данните и за стабилната работа на интернет.

Националният институт по стандартизация и технологии на САЩ е изчислил: ако GPS се срине само за един ден, страната ще загуби около един милиард долара. В Обединеното кралство подобен сценарий заплашва с щети за 1,4 млрд. паунда. Британските власти са включили заплахата от срив на GPS в националния регистър на рисковете като един от най-сериозните инфраструктурни проблеми, изискващи спешни действия.

GPS сателитите се намират на 20 000 км над Земята, но заглушаването на техните сигнали от повърхността не е никакъв проблем. Източник на смущения могат да бъдат както военните технологии, така и портативните устройства, които лесно могат да се купят в интернет. Във военните зони заглушаването на GPS се използва за извеждане от строя на вражеските оръжейни системи или за отклоняване от курса на дроновете и ракетите.

GPS сигналите се разпространяват само по права линия. Това прави самолетите на голяма височина и корабите в открито море особено уязвими – няма естествени препятствия като планини или сгради, които да осигуряват защита срещу смущаването.

В Националната физическа лаборатория екип, ръководен от д-р Хелън Марголис, създава радикално нов оптичен часовник. За разлика от традиционните атомни часовници, които използват микровълновите трептения на цезиеви атоми за измерване на времето, новата система разчита на трептенията на лазерен лъч, уловен в охладени стронциеви атоми.

Честотата на трептенията е много по-висока от тази на микровълните, което позволява времето да бъде „нарязано“ на още по-малки интервали. Тези часовници са сто пъти по-точни от съвременните цезиеви хронометри, които сега определят стандарта за световното координирано време. Но пред учените стои трудна задача: да направят технологията достатъчно компактна и устойчива на външни влияния, така че да може да работи не само в идеалните лабораторни условия, но и в транспорта и в полеви условия.

Едно от най-перспективните решения е да се създадат автономни навигационни системи със собствени атомни часовници. Подобен навигатор би работил като бордовия компютър на самолет, но с много по-голяма точност. Знаейки началната точка на маршрута, устройството ще може да проследява и най-малките промени в скоростта и посоката на движение. Вградените квантови сензори ще измерват ускорението и завоите с точност до милионна част от градуса, а свръхпрецизният атомен часовник ще осигурява перфектно време за всички изчисления. В комбинация с данните за магнитното и гравитационното поле на Земята това ще позволи определянето на координатите без използване на сателити.

Британски физици планират да създадат мрежа от четири синхронизирани атомни хронометъра от ново поколение. Всеки от тях непрекъснато ще сверява показанията си с останалите чрез защитени комуникационни канали, което ще позволи да се постигне безпрецедентна точност и надеждност на измерванията. До 2030 г. тази мрежа трябва да се превърне в основен хронометър за цялата страна. Банките ще я използват, за да записват точното време на всички финансови транзакции, енергийните компании ще я използват за балансиране на натоварването на мрежата, а военните – за координация. В случай на повреда на GPS тази система ще продължи да работи без прекъсване, осигурявайки точно време за критичната инфраструктура.

Американската компания Infleqtion наскоро получи 11 млн. долара от Пентагона за разработване на квантови навигационни системи. Съоръжението им „Tiqker„, с размер колкото три кутии за пица, следи електронните колебания в свръхстудени рубидиеви атоми. Когато температурата се доближи до абсолютната нула, квантовите флуктуации стават невероятно стабилни и предсказуеми, което позволява измерването на времето с точност до трилионни части от секундата. Основното предимство на системата е, че квантовите състояния на атомите не могат да бъдат фалшифицирани или изкривени от външна намеса – това е фундаментален закон на физиката.

Друг американски стартъп, SandboxAQ, ръководен от бившия главен изпълнителен директор на Google Ерик Шмидт, залага на магнитната навигация. Технологията AQNav създава триизмерна карта на магнитното поле на Земята, като регистрира минималните промени в неговата сила и направление. Всяка точка на планетата има уникална комбинация от магнитни характеристики, която зависи от състава на скалите в земната кора и електрическите токове в йоносферата. Изкуствен интелект съпоставя данните от високочувствителните магнитометри с подробна магнитна карта на планетата, което позволява определяне на местоположението, без да се разчита на сателити.

Австралийският Q-CTRL се бори с друг проблем: квантовите сензори са твърде чувствителни към трусовете в корабите и самолетите. Компанията е създала програма, която подобно на шумопотискащите слушалки филтрира ненужните смущения. Това позволява измерванията да останат точни дори и при разклащане на морето и pri турбуленция. Q-CTRL вече работи с Airbus, британските военноморски сили и австралийската армия за внедряване на своите разработки в навигационните системи. Успоредно с това компанията помага на НАСА и Геологическата служба на САЩ да картографират гравитационното поле.

Засега квантовите часовници струват около 100 хил. долара, а да се направят подходящи за ежедневна употреба е най-трудната техническа задача. Специалистите смятат, че най-напред ще ги инсталират на корабите, където размерът и теглото на оборудването не са толкова важни. След време квантовите сензори, оптичните часовници и магнитните навигатори ще се намалят дотолкова, че ще се побират в авиационното оборудване и дори в смартфоните. До постигането на този етап обаче ще мине поне едно десетилетие.