Атомните часовници – милиметровата точност в основата на GPS

Атомните часовници са основният източник на точност в съвременните навигационни системи и без тях GPS и останалите GNSS услуги не биха могли да гарантират необходимата прецизност. Това обясни доц. Аспарух Камбуров от Минно-геоложки университет „Св. Иван Рилски“ в предаването „Футуризъм“ по Bloomberg TV Bulgaria с водещ Антон Груев.

Той подчерта, че малки отклонения във времето водят до големи грешки в позиционирането: неточното измерване на интервала, за който сигналът пътува от спътника до приемника, се превръща в пространствено отклонение. По думите на Камбуров, една секунда грешка прави разлика от 300 хил. км, а една наносекунда — около 30 см.

Защо се използват атомни часовници

Атомните часовници са предпочитани заради изключителната си стабилност — те се отклоняват с едва една секунда за няколко милиарда години, което ги прави най-прецизните създавани от човека инструменти за измерване на времето. В спътниците тези уреди поддържат сигнала на точната честота, необходима за навигационните изчисления и синхронизация между системите.

Особеност при използването им в космоса е необходимостта от настройка спрямо условията на орбита. Камбуров обясни, че влиянието на теориите за относителността е съществено: при скоростите на спътниците, около 14 хил. км/ч, ефектите от специалната теория на относителността забавят часовниците с около 7 микросекунди. От своя страна, по-слабото гравитационно поле на орбитата ги ускорява с около 45 микросекунди според общата теория на относителността. В резултат сумарното отклонение е 38 микросекунди и то трябва да бъде компенсирано в настройките на часовниците, иначе позиционирането би загубило прецизност.

Как работят глобалните навигационни системи

Камбуров поясни, че понятието GPS често се използва разговорно за всички навигационни системи, но това е само името на американската система — една от четирите глобални навигационни спътникови системи (GNSS). GPS разполага с минимум 24 спътника, които поддържат услугите ѝ, а повечето такива системи оперират с над 30 спътника.

С добавянето на европейската Galileo, руската ГЛОНАСС и китайската Beidou, общият брой на активните навигационни спътници в космоса надхвърля 150. Те излъчват навигационни сигнали непрекъснато — денонощно и независимо от метеорологичните условия — и в повечето случаи покритието е безплатно, което позволява дори обикновен телефон да служи като навигационен приемник.

Четирите системи са независими, но могат да се подпомагат взаимно при проблеми. Предвидено е и използването на обща честота за някои сигнали, за да се постигне съвместимост между системите и да се улесни интеграцията на данните.

Заглушаване и фалшифициране на сигнали

Една от съвременните заплахи за навигационните услуги е заглушаването (jamming) — излъчване на по‑силен сигнал на същата честота, който прикрива оригиналния сигнал. Това може да се извърши с много евтини и лесно достъпни устройства и представлява сериозен риск особено при приложения, свързани с безопасността, например в близост до летища и критична инфраструктура.

По-сложно е фалшифицирането на сигнала, известно като spoofing, при което се внедряват неверни данни — фалшиви координати или местоположение. Камбуров отбеляза, че модерните спътникови сигнали имат криптозащита: при опит за намеса сигналът „се чупи“ и приемникът разпознава, че получената информация не е автентична. Допълнително, с помощта на изкуствен интелект може да се анализират и филтрират подозрителни данни.

Бъдещето на навигацията

Според Камбуров квантовите сензори едва ли ще заменят спътниковата навигация поради недостатъчната им геодезическа точност в момента. Те обаче могат да служат като допълнителни автономни технологии за позициониране. Бъдещето на навигационните решения, по думите му, е в комбинирането на спътникови данни с вход от други сензори и алгоритми за филтриране, които заедно да повишават надеждността и прецизността в различни условия.

В предаването Камбуров представя тези теми и посочва конкретните предизвикателства и мерки за гарантиране на точността и сигурността на навигационните услуги в съвременния свят.