Атомните часовници гарантират милиметрова точност на GPS

Доц. Аспарух Камбуров от Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски“ обсъди в предаването „Футуризъм“ по Bloomberg TV Bulgaria с водещ Антон Груев защо атомните часовници са в основата на точната спътникова навигация и как се поддържа милиметровата прецизност на позициониране.

Защо времето е решаващо за навигацията

Определянето на разстояние по спътникови сигнали се базира на точно измерване на времето за преминаване на сигнала от спътника до приемника. Дори минимална грешка води до голямо отклонение: грешка от една секунда дава разлика от около 300 000 км, а от една наносекунда — около 30 см. Поради това в спътниците се използват атомни часовници, които се отклоняват с едва една секунда за няколко милиарда години и гарантират стабилни честоти на излъчване.

Релативистични корекции и настройка на часовниците

Атомните часовници на борда не могат да работят по същите настройки като наземните, тъй като те са подложени на ефектите на специалната и общата теория на относителността. При скоростите на орбитално движение — приблизително 14 000 км/ч — часовниците изостават с около 7 микросекунди заради специалната теория на относителността. От друга страна, по-слабото гравитационно поле на по-голямата отдалеченост от Земята ускорява часовниците с около 45 микросекунди. Сумарният ефект е около 38 микросекунди, които трябва да се компенсират чрез настройка, за да се запази точността на системата.

Как функционират глобалните навигационни системи

Понятието GPS често се използва като общо наименование за спътниковата навигация, но това е само една от четирите глобални навигационни спътникови системи (GNSS). GPS е разработка на САЩ и поддържа минимум 24 спътника, като повечето модерни системи оперират с над 30 спътника в съставите си. Другите големи констелации са Galileo (ЕС), ГЛОНАСС (Русия) и Beidou (Китай); общият брой на техните спътници надвишава 150. Те излъчват непрекъснати навигационни сигнали, работащи денонощно и независимо от метеорологичните условия.

Покритието е в повечето случаи безплатно, което позволява на всеки смартфон да служи като навигационен приемник. Системите са независими една от друга, но за съвместимост е предвидено да има обща честота, на която да може да се работи паралелно.

Заплахи: jamming и spoofing

Заглушаването (jamming) представлява излъчване на по-силен сигнал на същата честота и е най-лесният начин да се наруши навигацията. Това може да се извърши с относително евтини устройства и е особено опасно при приложения, свързани с авиация или критична инфраструктура. Spoofing-ът, от своя страна, включва подаване на фалшива навигационна информация — неверни координати или време. Той е по-сложен за реализиране, защото изисква вкарване на погрешни данни в сигнала по начин, който приемникът да приеме.

Съвременните спътникови сигнали включват криптографски механизми, които правят успешното вмешателство затруднено: при опит за подмяна или манипулация сигналът „се чупи“ и приемникът може да разпознае, че сигналът не е автентичен. Освен това, с помощта на алгоритми за машинно обучение и изкуствен интелект се анализират характеристиките на сигнала и се филтрират аномалиите.

Бъдеще: квантови сензори и комбинирана навигация

Квантовите сензори се разглеждат като допълнителен, автономен източник за позициониране, но според Камбуров е малко вероятно да заместят сателитната навигация поради по-ниската си геодезическа точност. По-реалистичната преходна стъпка е интегрирането на данни от различни сензори — спътникови сигнали, инерциални измервания, квантови детектори и алгоритми за сливане на данни — за постигане на по-надеждно и устойчиво позициониране.

Точността на времето и устойчивостта на сигналите остават ключови за развитието и сигурността на GNSS, а комбинацията от криптозащита, аналитични методи и допълнителни сензорни решения е посоката за бъдещето на навигацията.