Svet brez GPS

V zadnjih dveh desetletjih smo se tako navadili na globalne navigacijske sisteme, zlasti na ameriški GPS, da se malokdaj vprašamo, kakšen bi bil svet brez njega. A GPS ni samoumeven, temveč obstaja zaradi drage in občutljive infrastrukture v vesolju in na Zemlji, ki jo lahko lokalno zmoti že nekaj sto evrov draga oprema, globalno pa kakšna raketa. V kakšno resničnost bi se zbudili brez GPS?

Motnje signala GPS v Ukrajini novembra 2021. Slika: Hawkeye360

Pri nas imamo to srečo, da se odvisnosti od globalnih satelitskih navigacijskih sistemov (GNSS) zavemo le v predorih in kleteh. V tujini ponekod njihove signale namenoma motijo v okolici strateških točk, denimo Kremlja. Med oboroženimi konflikti, kakršen v tem trenutku poteka v Ukrajini, pa je oteževanje sovražnikove navigacije z motenjem signala GNSS, največkrat kar ameriškega GPS, ena izmed prvih potez.

Razlogov, da bi motili GPS, je več. Odkar so letalniki postali dostopni širokim množicam, se pristojni trudijo preprečiti njihove izlete v varnostne cone okrog letališč, vojašnic, vladnih stavb in podobno. Letalnike lahko krmilimo ročno ali pa uporabljajo signal GPS, zato motenje signala dobro preprečuje oddaljene izlete na prepovedana območja. To ima posledice tudi za običajne ljudi. Leta 2016 so obiskovalci ruske prestolnice opazili, da v bližini Kremlja telefoni napak prikazujejo položaj. Namesto v središče Moskve so jih vztrajno postavljali na bližnje letališče Vnukovo. Primerov je bilo več, denimo napačno obračunane vožnje z Uberjem, ker je voznikov telefon menil, da je peljal z letališča, in seveda nedelujoča navigacija. To kaže, da v Moskvi ne gre za blokado (jamming) signala, temveč preglasitev z lažnim (spoofing). Razlog bržkone niso le letalniki, temveč nacionalna varnost. A oprema, ki oddaja lažni signal GPS, je enostavno dosegljiva na internetu že sleherniku, kaj šele državi. Tovrstno motenje je seveda v nasprotju s pravili Mednarodne telekomunikacijske zveze ITU (International Telecommunication Union), a ta je brezzobi tiger.

Ameriška vojska je kmalu po začetku vojne v Ukrajini opozorila, da je Rusija na ukrajinskem ozemlju moti signale GPS, da bi Ukrajini otežila navigacijo, komunikacijo in organizacijo. Rusija ni napadla satelitov GPS, ki krožijo v orbitah 20.000 kilometrov visoko, temveč je postavila več premičnih postaj za preglasitev signala. To ni nepričakovano, saj so različne vojske v preteklih vojnah po svetu že uporabljale enako taktiko. Tudi ko so ZDA in Nato v preteklosti izvajali vojaške vaje na severu Norveške, je Rusija motila signal GPS v okolici. Na Krimu je Rusija GPS vse od priključitve leta 2014 že večkrat motila. Tovornjaki, na katerih so nameščeni motilci, so dovolj veliki, da jih zlahka prepoznamo na satelitski posnetkih, in jih seveda nima le Rusija.

Tovornjak Krasukha-4, ki jih je Rusija razmestila na jugu Belorusije, imajo domet skoraj 300 kilometrov in motijo radarje ter signale s satelitov. Sistem R-330ZH Zhitel, ki ga Rusi uporabljajo na Krimu, zaznava, analizira in moti signale satelitov, mobilna omrežja in druge sisteme, ki uporabljajo frekvence od 100 do 2.000 MHz.

Svet brez GNSS

Satelitski navigacijski sistem seveda ni eden. Najbolj znan in najstarejši je ameriški GPS, a svojega imajo tudi Evropa (Galileo), Rusija (Glonass) in Kitajska (Beidou). Rusija je doslej v Ukrajini motila le ameriškega, ker so sprejemniki zanj daleč najbolj razširjeni. Vseeno pa se lahko vprašamo, kakšen bi bil videti svet brez teh sistemov. Nazadnje smo to preizkusili leta 2000, saj je GPS šele od tedaj sleherniku na voljo brez motenj. A danes je biti brez GPS težje, ker smo ga navajeni in imamo nanj prilagojene sisteme. V nekaterih primerih smo to že lahko videli. Ko je leta 2019 na letališču v Tel Avivu zmanjkalo signala GPS, domnevno zaradi ruskih motenj iz vojne v Siriji, so imela letala nemalo težav. Dasiravno letala lahko pristajajo brez GPS, je navigacija težja, predvsem pa morajo izpad pričakovati.

Kvantni magnetometer z diamantno kocko kot senzorjem. Slika: Lockheed Martin

Čeprav v povezavi z blokiranjem signala GPS največkrat omenjamo Rusijo, ki je to dokazano počela, ni edina. Tudi ZDA blokirajo GPS, ko izvajajo različne vojaške vaje, zato lahko upravičeno sklepamo, da enako počno tudi v pravih spopadih. Na manjši ravni pa GPS občasno blokirajo tudi različni kriminalci, ki ne želijo pustiti sledi za svojimi tatvinami, na primer vozil za prevoz denarja z opremljenimi sledilniki GPS. Lahko pa se zgodi tudi po pomoti, kot leta 2013 na letališču Newark, kjer je bil signal GPS móten vsakokrat, ko se je mimo peljal neki uslužbenec, ki je v svoj službeni avto vgradil motilec GPS, da mu šef ne bi mogel slediti.

Prizemni radijski navigacijski sistemi

V EU trenutno obratuje več radijskih sistemov za navigacijo, ki pa imajo večinoma nišne uporabe. Večina je namenjena letalskemu prometu. Globalnim satelitskim sistemom (GNSS), kakršna sta Galileo in GPS, se je še najbolj približal Loran, ki pa so ga leta 2015 ugasnili.

Neusmerjeni radijski svetilnik (NDB – non directional beacon) na frekvencah 190–1.750 kHz v vse smeri oddaja signal z identifikacijo. Letala, ki imajo sistem ADF (automatic direction finder), zaznajo kót, pod katerim letalo sprejema signal, in iz znane lokacije NDB ocenijo smer. V Sloveniji imamo NDB v Mengšu, Apačah, Portorožu in Račah.

Visokofrekvenčni vsesmerni radijski oddajnik (VOR – VHF omnidirectional range) deluje v frekvenčnem pasu 108–118 MHz s horizontalno polarizacijo. Oddaja dva signala. Prvi gre v vse smeri, drugi pa je ozko usmerjeni in 30-krat na sekundo opiše celotni krog. V novejših ni fizičnih premičnih delov, temveč uporabljajo Dopplerjev efekt. Letala iz faznega zamika izračunajo smer glede na VOR. Sistem deluje, dokler je VOR v vidnem polju in so letala manj kot 40° v horizontalni smeri nad VOR. V Sloveniji imamo VOR v Portorožu, Šenčurju (Dopplerjev VOR), Kresniškem Vrhu (Dopplerjev VOR) in Ilirski Bistrici.

Naprava za merjenje razdalje (DME – distance measuring equipment) uporablja odzivnik (transponder) na tleh in povpraševalnik (interrogator) na letalu. Oddajnik na letalu oddaja signal v frekvenčnem pasu 960–1.215 MHz, transponder pa ga sprejme in po nastavljenem zamiku odgovori nanj. Iz tega lahko letalo izračuna razdaljo do DME. V nasprotju z NDB in VOR je kapaciteta sistema omejena, ker DME neposredno odgovarja posameznim letalom. V Sloveniji so DME na istih lokacijah kakor VOR.

Sistem za instrumentalno pristajanje (ILS – instrument landing system) uporabljajo letala za pristajanja, saj jim nudi informacijo o vertikalnem in horizontalnem položaju. Horizontalni položaj (localiser) se določa z dvema radijskima signaloma s frekvenco 108–118 MHz in različno modulacijo (90 in 150 Hz), ki sta sekata vzdolž pristajalne steze. Vertikalni položaj, ki ustreza priletu pod kotom 3° (glide slope), pa določata druga dva signala s frekvenco 328-–35 MHz z različno modulacijo (90 in 150 MHz), ki se sekata na optimalni liniji prileta. V Sloveniji imamo ILS na Brniku in mariborskem letališču. Deli ILS so še markerji na različnih oddaljenostih od letališča (notranji, srednji, zunanji).

Mikrovalovni pristajalni sistem (MLS – microwave landing system) je alternativa ILS in deluje podobno, a še ni zelo razširjen.

Dolgovalovni sistemi se uporabljajo za posredovanje podatka o točnem času in zagotavljanje stabilne frekvence. Primer je nemški sitem DCF77, ki ima tri atomske ure za merjenje točnega časa. Tega potem oddaja antena v kraju Mainflingen s sevalno močjo 30–35 kW. Signal s frekvenco 77,5 kHz krmili večino radijskih ur v zahodni Evropi.

Dandanes GPS uporabljamo v pametnih telefonih, novih avtomobilih, letalih in ladjah, žerjavih v pristaniščih, logistiki, ribištvu, gradbeništvu ter tudi v dežurnih službah za ukrepanje ob nesrečah. Ko kličemo 112, s sistemom AML (Advanced Mobile Location), ki v Sloveniji deluje od leta 2016, center za obveščanje izve natančno lokacijo kličočega z GPS na njegovem telefonu. Mnoge naprave pa signala GPS sploh ne potrebujejo za določanje lokacije, temveč po njem zgolj nastavijo svojo uro. Čas, kot ga sporočajo sateliti GPS, je marsikje postal de facto standard.

Izpad GPS bi imel hude posledice za gospodarstvo, ocenjuje London School of Economics. Vsak dan izpada bi britansko gospodarstvo prikrajšal za milijardo funtov. Če bi v ZDA izpadel GPS aprila ali maja, ko kmetje sejejo na ogromnih posestvih, bi bila škoda največja, je leta 2019 ocenil NIST (National Institute of Standards and Technology). Države imajo zato načrte, katere tehnologije bi lahko (vsaj začasno) nadomestile GPS.

Čeprav smo doslej govorili o začasnih izpadih na geografsko omejenih področjih, ki jih namerno povzročijo ljudje na Zemlji, si prav lahko zamislimo globalni izpad. Vse vojaške velesile dandanes imajo rakete, ki zlahka sestrelijo satelite. Leta 2007 je veliko prahu dvignila Kitajska, in to dobesedno, ko je z raketo uničila svoj vremenski satelit. Navigacijski sateliti so sicer v znatno višjih orbitah, a to ni ovira. Med trenutno vojno v Ukrajini je Rusija omenila, da bi lahko sestrelila ameriške satelite za GPS.

Prav lahko pa bi nam jo zagodla narava. Mogočna sončna nevihta, kot je bil na primer Carringtonov dogodek iz leta 1859, bi prav lahko spražila satelite v orbitah in nas pahnila v elektronski srednji vek. Že pred poldrugim stoletjem je namreč zadostovala, da so množično odpovedovali telegrafi.

Loran

Če bi izginil samo GPS, bi se prilagodili ostalim globalnim navigacijskim sistemom, v Evropi verjetno Galileu. Tega sicer ne bi bilo mogoče storiti čez noč, ker kopica naprav podpira le GPS, a konceptualnih razlik ne bi bilo. Če pa bi z »neba padli« vsi sateliti, bi bil problem večji.

Še leta 2006 je bila z Loranom Evropa zgledno pokrita.

Za rešitev moramo v preteklost, ko GPS še ni bilo. Med drugo svetovno vojno so v ZDA začeli razvijati nizkofrekvenčni radijski sistem za navigacijo, ki so ga poimenovali Loran (long range navigation). Prvotni sistem, ki se ga je prijelo ime Loran-A, je zahteval velike, okorne in drage sprejemnike, zato so v ameriški mornarici razvili Loran-B, medtem ko je vojaško letalstvo razvilo Loran-C. Zadnji je na koncu prevladal in leta 1958 je ameriška obalna straža prevzela vzdrževanje in upravljanje sistema. Medtem ko se Loran-B ni nikoli zares uveljavil, sta Loran-A in Loran-C vrsto let obstajala sočasno, dokler ni v 70. letih in 80. letih prejšnjega stoletja zmagal Loran-C.

Navigacije v zaprtih prostorih

Marsikje, denimo v skladiščih, potrebujemo zelo natančno navigacijo tudi v zaprtih prostor, za kar satelitski sistemi ali Loran niso primerni. V ta namen uporabljajo obstoječo nepremično infrastrukturo, denimo dostopne točke Wi-Fi, bluetooth, Li-Fi ali ultraširokopasovne povezave (UWB), ki jih podpirajo tudi že novejši pametni telefoni (UWB – Novi čut v pametnih telefonih, Monitor 02/20). Poleg tega lahko uporabljamo tudi namensko infrastrukturo, razne radijske svetilnike, vizualne označevalce ali preprosto optično prepoznavanje okolice ali inercialne sisteme.

Zamisel je preprosta. Infrastrukturo sistema Loran predstavljajo oddajniki močnega nizkofrekvenčnega signala, ki jih lovimo s sprejemniki. Oddajniki, ki v višino merijo prek 200 metrov in delujejo z močjo več sto kilovatov, oddajajo močan signal v kratkovalovnem delu radijskega spektra. Z merjenjem časovne razlike med prejemom pulza signala (ali fazne razlike kontinuirnih signalov) z dveh stolpov, lahko izračunamo, na kateri hiperboli se nahaja sprejemnik. Z enako meritvijo še drugega para oddajnikov lahko natančen položaj določimo kot presečišče hiperbol. Konceptualno je torej sistem podoben kot GPS, kjer merijo zakasnitve satelitskih signalov pri potovanju do sprejemnika. Položaj lahko določimo tem natančneje, čim več sekundarnih postaj imamo. Pri tem je pomembno poudariti, da morajo imeti primarne postaje natančne ure, sekundarne pa ne, ker pošiljajo signale glede na signale primarnih postaj s stalno zakasnitvijo. Loran namreč obratuje z oddajniki v verigah, kjer ima vsaka veriga eno primarno postajo in vsaj dve sekundarni. Loran-C je deloval na frekvencah 90–110 kHz.

Natančne meritve magnetnih silnic na Zemlji omogočajo navigacijo z merjenjem magnetnega polja. Slika: National Oceanic and Atmospheric Administration

Ko se je uveljavil GPS, so države v navdušenju nad satelitsko navigacijo hitro odpisale Loran. Čeprav je bil ta natančen na nekaj sto metrov (s ponovljivostjo 20–100 metrov), so do konca preteklega stoletja praktično vse države prenehale vzdrževati infrastrukturo Loran-C. V ZDA so že leta 1997 začeli financirati razvoj naslednika, Loran-C pa so ugasnili leta 2010. V naslednjih letih so sledile Kanade, Japonska in Evropska unija. V Evropi so večino oddajnikov Loran-C ugasnili 31. decembra 2015. Rusija, Kitajska in Savdska Arabija pa imajo še vedno delujoč Loran-C.

Ker se zgodovina ponavlja, je kmalu vse več držav po svetu ugotovilo, da je alternativa GPS koristna, zato so začele razvijati naslednika, ki se imenuje eLoran (enhanced Loran). Medtem ko so signali s satelitov z višine 20.000 kilometrov na Zemlji šibki, so 400-kW oddajniki Loran z dosegom 1.500 kilometrov izjemno prodorni. Signal Lorana je približno milijonkrat močnejši od signala GPS. Za motenje signala so potrebne zelo velike sevalne moči, predvsem pa lahko motilce odkrijemo. Sistemi Loran zaradi jakosti signala delujejo tudi v stavbah, predorih in pod vodo (do razumne meje, seveda). Torej ni presenetljivo, da ameriško ministrstvo za promet financira razvoj eLorana v pogodbah z 11 podjetji. Tudi Velika Britanija, Južna Koreja in Kitajska razvijajo svoj eLoran.

Visokofrekvenčni vsesmerni radijski oddajnik v Šenčurju je del brniške infrastrukture.

Zvezde na nebu

Infrastruktura, ki jo za delovanje potrebuje Loran, je neprimerno enostavnejša in cenejša od GPS, a še vedno jo je treba postaviti. Pomorščaki pa so se seveda znali orientirati, še preden je človeštvo postavilo kakršnokoli infrastrukturo, zato jih lahko posnemamo tudi dandanes. Po nebu previdljivo potujejo Sonce in zvezde, natančno merjenje časa pa tudi ni nikakršen izziv, predvsem pa je odporno na motnje. In izkaže se, da je takšen sistem res v uporabi …

Balistične rakete Trident uporabljajo kombinacijo inercialne navigacije in navigacije po zvezdah. Rakete, ki se izstreljujejo iz podmornic, namreč nimajo zelo natančnega podatka o položaju ob izstrelitvi, zato z opazovanjem določene zvezde korigirajo negotovosti od izstrelitve. Trident ni pri tem nobena izjema.

Ameriško podjetje Draper Laborator razvija komercialni sistem za navigacijo po zvezdah, ki se imenuje Skymark. Uporablja majhen samodejni teleskop, ki spremlja gibanje najsvetlejših zvezd, Mednarodne vesoljske postaje in vidnih satelitov, iz česar lahko izračuna lokacijo. Ker sledi več objektom, lahko doseže natančnost do 15 metrov, trdi podjetje. Seveda sistem ne deluje, če na nebu ničesar ne vidimo, torej ob močno oblačnem vremenu, v stavbah, pod morjem itd. Sicer uporablja infrardeča tipala, tako da zmerna oblačnost ne bi smela predstavljati težav, gosta pač.

Inercialni sistemi

Obstaja še en prastari sistem določanja lokacije, ki ne zahteva čisto nobene infrastrukture ali zunanjih podatkov. Inercialni sistemi potrebujejo le informacijo o začetnem položaju (fix), potem pa uporabljajo pospeškomere za sprotno izračunavanje premikov in novega položaja. Nekaj podobnega vidimo vsakokrat, ko zapeljemo v predor, kjer signala GPS ni, a telefon še vedno približno »ve«, kje smo. Natančnost inercialnih sistemov je omejena s poznavanjem začetnega položaja, kar načelno ni problem, in nabiranja napake (drift) zaradi nenatančnosti pospeškomerov. Trenutni pospeškomeri niso dovolj natančni, da bi lahko z inercialnimi sistemi na daljših potovanjih dosegli natančnost GPS (druga zgodba so seveda pospeškomeri v vesoljskih plovilih ali na letalih za zaznavanje lege). Rešitev bi bili natančnejši pospeškomeri, denimo kvantni. Ti so za zdaj še v laboratorijih, a obljubljajo veliko. Običajni inercialni sistemi pa že dandanes krmilijo podmornice, kjer po potopitvi signala GPS ni, natančnost nekaj sto metrov ali nekaj kilometrov pa je načelno sprejemljiva (do dviga na površje).

Kvantni pospeškomer. Slika: Imperial College London

Kvantni pospeškomeri bi lahko bili tisočkrat natančnejši od konvencionalnih, ki se imenujejo MEMS (micro-electromechanical system). Ti delujejo kot miniaturne vzmeti, ki se ob pospešku malenkostno deformirajo, kar se zaradi sprememb razdalje izrazi kot sprememba kapacitete kondenzatorja. MEMS pa lahko delujejo tudi kot žiroskopi, kadar imajo na vzmeteh obešeno izolirano maso.

Tako imenovani kvantni kompasi vsebujejo kvantne pospeškomere in žiroskope. Uporabljajo atomsko interferometrijo, s čimer je mogoče meriti izjemno majhne spremembe razdalje (z interferometri so izmerili gravitacijske valove), zato so večstokrat natančnejši. V sredici imajo zelo ohlajene atome v vakuumu v magnetno-optični pasti, skozi katere posvetijo laserski žarki, ki jih spravijo v superpozicijo stanja, ko so zadeti in premaknjeni, ter stanja, ko se to ni zgodilo.

Ko GNSS preprosto ni dovolj

Nedostopnost satelitskih sistemov v zaprtih prostorih ali pod površjem ni edini razlog, da bi želeli imeti dobre alternative. V nekaterih primerih GPS preprosto ni dovolj. Ta je bil narejen za pomoč ljudem, ne strojem. Povprečna natančnost na razdalji do pet metrov je dovolj za vsakdanjo uporabo ljudi, ne moremo pa s tem krmiliti avtonomnih vozil. Za tak podvig bi potrebovali natančnost na razdalji 10 centimetrov.

Zaradi kvantnih pojavov lahko zaznamo interferenco atomov, ko se celica premakne. Interferenco običajno poznamo iz optičnega sveta, kjer interferirajo fotoni oziroma snopi svetlobe, v atomski interferometriji pa interferirajo atomi v superpoziciji dveh kvantnih stanj. V praksi je sicer še nekaj težav, saj že od Einsteina vemo, da sta pospešeno gibanje in gravitacija dve plati istega kovanca, zato kvantni pospeškomeri zaznavajo tudi spremembe lokalnega gravitacijskega polja, ki pa ga dobro poznamo.

Navigirali bi lahko tudi po magnetnih silnicah, in to ne s klasičnim kompasom. Izjemno občutljivi merilniki magnetnih polj omogočajo precej natančno navigacijo, ker smo magnetne silnice na Zemlji že mapirali. Kvantni magnetni senzorji imajo diamantne celice z dušikovimi vakancami, ki ob vzbujanju oddajajo svetlobo. Jakost oddane svetlobe, torej število fotonov, pa je odvisna od magnetnega polja, ki mu je kristal izpostavljen. Na tak način lahko zelo natančno merimo jakost in smer magnetnih polj. To je eden izmed mogočih bodočih načinov navigacije, katerega razvoj financira tudi Darpa.

Gledanje skozi okno

Na koncu se seveda lahko orientiramo tako, kot se ljudje že tisočletja. Ko hodimo po ulicah, ne gledamo zvezd, kompasov ali pospeškomerov, temveč okolico. Scientific Systems za ameriško vojsko razvija optični navigacijski sistem za letala, ki ga imenujejo Imagenav. Ključni del sestavljajo zbiri posnetkov področja, nad katerim bi letala lahko letela, ter kamere na letalih. Skupaj z inercialnimi sistemi, ki služijo za grobo informacijo, kje je letalo, je Imagenav presenetljivo uspešen. Program je že komercialno dostopen, a za izvoz iz ZDA zahteva posebno izvozno dovoljenje. Imagenav se že uporablja tudi na raketah in vojaških letalih brez posadke.

Nekaj podobnega je na Švedskem počelo podjetje Everdrone, ki krmili letalnike in je že leta 2019 uspešno poslalo avtonomni letalnik iz ene bolnišnice v Göteborgu v drugo, ne da bi na dobre štiri kilometre dolgi poti uporabljal GPS. Zadostovala sta opazovanje okolice in iskanje znamenitosti, pri čemer je imel letalnik seveda podrobne informacije o okolici, v kateri je letel.

Kombinacija

Če bi torej res izginil GNSS, bi se bržkone zatekli h kombinaciji drugih sistemov, saj je vsak primeren za svoj namen. Britanska vlada je že leta 2017 kot mogoči regionalni ali globalni alternativni prepoznala eLoran in satelitski sistem Iridium, kadar potrebujemo podatek o položaju, strežnike NTP, radijske signale, protokol PTP in NPL (National Physics Laboratory) pa kot možnosti za distribucijo točnega časa.

Svet brez GNSS bi bil sprva precej drugačen, kasneje pa bi tehnologija nadoknadila manko. Da se to ne bi zgodilo čez noč, priča oznaka, da je GPS ena točka, kjer se zlomi ameriško gospodarstvo (single point of failure). Oddelek za domovinsko varnost skupaj z drugimi agencijami išče načine, kako bi električno omrežje, nujne službe in drugo kritično infrastrukturo naredili odporno na izpad GPS. Brez njega bi nekako šlo, a bi pogrešali enovit sistem za toliko različnih uporab, kot jih omogoča GNSS.