Атомните часовници — милиметрова точност в основата на GPS

Атомните часовници са критичен елемент за навигационните системи, защото от точността на времето зависи прецизността на позиционирането. Това каза доц. Аспарух Камбуров от Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски“ в предаването „Футуризъм“ по Bloomberg TV Bulgaria с водещ Антон Груев.

Точността на времето определя колко точно се измерва времето за преминаване на сигнала от спътника до приемника. По думите на Камбуров, грешка от една секунда води до отклонение от порядъка на 300 хил. км, а отклонение в нивото на наносекунда се равнява приблизително на 30 см. Затова в навигационните спътници се използват атомни часовници — те се отклоняват с едва една секунда за няколко милиарда години и гарантират стабилна честота на излъчваните сигнали.

Релативистични корекции и настройка на часовниците

Атомните часовници на борда на спътниците трябва да бъдат допълнително настроени за условията в орбита. Камбуров посочи, че според специалната теория на относителността часовниците на спътниците, движещи се с около 14 000 км/ч, тиктакат със седем микросекунди по-бавно в сравнение с тези на Земята. От друга страна, поради по-слабото гравитационно поле на по-голяма височина (обща теория на относителността), те отбелязват ускорение от около 45 микросекунди. Сумарно това дава разлика от около 38 микросекунди, която трябва да бъде компенсирана в настройките, иначе точността на позиционирането значително би намаляла.

Как работят глобалните навигационни системи

Камбуров припомни, че понятието GPS често се използва за всички навигационни услуги, но реално GPS е една от четирите глобални навигационни спътникови системи. GPS е разработка на САЩ и разчита на поне 24 спътника за предоставяне на услугите си, докато повечето системи оперират с над 30 спътника. Другите големи системи са Galileo (ЕС), ГЛОНАСС (Русия) и Beidou (Китай). Общият брой на техните спътници в космоса надхвърля 150, което осигурява непрекъснато излъчване на навигационни сигнали независимо от времето и атмосферните условия.

Камбуров отбеляза и практическата страна: в повечето случаи покритието е безплатно, затова дори обикновен телефон може да служи като навигационен приемник. Четирите системи са независими и при евентуален проблем с една, останалите могат да компенсират липсата на данни. За съвместимост е предвидено използването на обща честота между системите.

Заглушаване и фалшифициране на сигналите

В темата за сигурността Камбуров разграничава два риска: заглушаване (jamming) и фалшифициране (spoofing). Заглушаването представлява излъчване на по-мощен сигнал на същата честота, което може лесно да попречи на приемника и често се реализира с евтини устройства. Това е сериозен проблем особено в близост до летища и критична инфраструктура, където навигацията е въпрос на безопасност.

Фалшифицирането е по-сложно — в сигнала се вгражда неверна информация с цел приемникът да приеме грешни координати. Според Камбуров съвременните спътникови сигнали вече включват криптозащита: при опит за манипулация сигналът „се чупи“ и приемникът разпознава, че не е автентичен. Освен това анализ с помощта на изкуствен интелект може да открива и филтрира подозрителни данни.

Бъдеще: квантови сензори и комбинация от технологии

По отношение на бъдещите технологии Камбуров заяви, че малко вероятно квантовите сензори в близко време да заместят сателитната навигация поради недостатъчна геодезическа точност. Те обаче имат потенциал като допълнителни автономни източници за позициониране. Според него бъдещето на навигационните системи е в комбинирането на GNSS с данни от други сензори и алгоритми за сливане на информацията, което ще повиши надеждността и устойчивостта срещу смущения.