Уязвимость сигналов GPS – недооценённая проблема

5 минут
Уязвимость сигналов GPS – недооценённая проблема

Система GPS крайне восприимчива к глушению и спуфингу (ситуация, в которой один человек или программа успешно маскируется под другую путём фальсификации данных и позволяет получить незаконные преимущества). Сигналы, используемые самолётами, кораблями, сельскохозяйственными тракторами и смартфонами, исходят от спутников, находящихся в космосе на расстоянии 19300 км от земли. К тому времени, когда они достигают Земли, они исчезающе слабы и легко подавляются. Спутник, запущенный в этом июне к GPS-созвездию – крошечный шаг, делающий сервис более безопасным. Но сами спутники сталкиваются с опасностями.

Высокоточные сигналы глобальной системы позиционирования нашли своё применение практически во всех сферах современной жизни: от записи банковских транзакций до синхронизации электрических сетей и помощи в поиске ближайшей закусочной. Компании и частные лица могут использовать возможности системы PNT – позиционирование, навигацию и синхронизацию – практически бесплатно. По данным Национального института стандартов и технологий, в США экономический эффект от GPS составляет около $1 млрд в день. Это также жизненно важно для военных операций США.

Так много важнейших вещей управляются с помощью GPS, что федеральный закон 2018 года был вынужден обратиться к важнейшей теме: отсутствию резервной копии.

Любое существенное повреждение или нарушение работы системы повлекло бы за собой крайне плачевные последствия.

«Я надеюсь, что мы сможем опередить катастрофу и, по крайней мере, получить ... некоторую устойчивость, вложенную в системы, зависящие от GPS, прежде чем случится что-то плохое», – говорит Дана Говард, президент фонда Resilient Navigation and Timing Foundation (некоммерческая организация в Вашингтоне, округ Колумбия).

«На самом деле, сложно создать эту гигантскую универсальную замену GPS», – признаётся Ричард Мейсон, старший инженер Rand Corp. и ведущий автор отчёта о национальных возможностях PNT, подготовленного Министерством внутренней безопасности США в 2019 и опубликованного в мае этого года. В отчёте скептически оценивается необходимость государственного вмешательства, и это несмотря на уязвимость GPS.

Сейчас Вашингтон тратит около $1,8 млрд в год на поддержание работоспособности GPS. Космические силы США управляют спутниками и наземными станциями, которые их отслеживают. Транспортный департамент является ведущим гражданским агентством по работе PNT.

Созвездие GPS состоит из 31 спутника, расположенного на средней околоземной орбите. Эти спутники оснащены атомными часами, а бортовые трансмиттеры отправляют с них точные временные сигналы приёмникам на земле, включая чип в вашем телефоне. Сигналы GPS достигают более 4 миллиардов военных и гражданских пользователей по всему миру.

Эти временные сигналы преобразуются в данные о местоположении, когда приёмник синхронизирует сигналы от нескольких спутников. Поскольку спутники разбросаны по всему земному шару, потребитель всегда должен быть в пределах видимости как минимум четырёх из них.

Все спутники уязвимы для угроз, находящихся на орбите, которые мы мало контролируем. Например, космический мусор может повредить отдельные спутники, а сильные солнечные бури могут привести к короткому замыканию в работе сразу всей системы.

Они также уязвимы для противоспутникового оружия и кибер-атак со стороны потенциальных противников, которые знают, насколько экономика США и штатовские военные зависят от спутников.

Генерал Джон Рэймонд, командующий Космическими силами США, заявил в мае Подкомитету по обороне Комитета по ассигнованиям Палаты представителей, что пора начать беспокоиться. «Угроза, которая вызывает у нас наибольшее беспокойство в связи с GPS, – это глушение», – резюмировал Раймонд.

В отчёте Минтранса США подробно описаны различные технологии, которые могут предоставить «дополнительные услуги в случае сбоев GPS». В нём говорится, что некоторые коммерчески доступные технологии могут частично имитировать службы синхронизации GPS. Но агентство заявило, что ни один из них не сможет служить универсальной резервной копией для возможностей позиционирования и навигации.

Из 11 представленных в отчёте технологий одна попала в цель во всех случаях использования: система городских радиомаяков, созданная компанией NextNav из Саннивейла, штат Калифорния. Маяки – передатчики, передающие радиосигналы, – устанавливаются на суше, а не в космосе, и сгруппированы в городских районах.

Маяки TerraPoint , установленные на вышках сотовой связи и крышах зданий, размером с мини-холодильник, оснащены всенаправленной антенной и источником питания на 110 вольт и расположены на расстоянии от восьми до 10 километров друг от друга (можно сравнить с 19312 км – диапазон для GPS). Это обеспечивает более надёжный сигнал. По оценке генерального директора Ганеша Паттабирамана, они «примерно в 100000 раз сильнее GPS».

Резервная копия GPS вовсе не обязательно должна быть привязана к земле. Такие компании, как Satelles, которые также участвовали в демонстрациях для Министерства транспорта, используют группировку спутников на низкой околоземной орбите Iridium на высоте 780 км, которые предоставляют услуги определения времени и местоположения, развёрнутые в качестве резервной системы GPS для клиентов, включая финансовые сети и энергокомпании.

Стартап под названием Xona Space Systems разрабатывает собственную низкоорбитальную систему PNT. В мае Агентство перспективных исследовательских проектов Минобороны США (DARPA) заключило с Northrop Grumman контракт на демонстрацию того, как низкоорбитальные спутники будут обеспечивать передачу сигналов PNT. Исследователи изучают, могут ли спутники Starlink SpaceX, созданные для передачи широкополосного сигнала с орбиты на Землю, использоваться в качестве ресурса PNT.

Некоторые из этих вариантов существуют пока только на бумаге. Но даже те, что находятся в эксплуатации, не несут на себе грехов давно зарекомендовавшего себя определённым образом GPS.

Между тем, GPS сам по себе набирает обороты. Спутник, запущенный в июне, является пятым в новой серии, известной как GPS III, которая разработана так, чтобы быть в три раза более точной и иметь в восемь раз большую защиту от помех. В частности, для военных это помогает включить зашифрованный сигнал M-кода, который устойчив к помехам и спуфингу.

Однако восьмикратный слабый сигнал – по-прежнему не тот сигнал, который может посостязаться с мощными глушителями и спуферами, работающими поблизости.

Что делает систему GPS столь привлекательной для многих приложений, это то, что она уже существует. Это дёшево и просто в использовании. Из-за этого трудно набраться энтузиазма, чтобы тратить время и деньги, придумывая что-то, что будет делать то, что делает GPS, так широко, как она это делает.

Как бы то ни было, по мнению Даны Говард, Китай полностью опередил США в разработке сложного, всеобъемлющего подхода к PNT, который включает 3 типа спутников на разных высотах, а также возможности eLoran и PNT в телекоммуникационной системе для обеспечения независимости от космоса.