Vybrané články
z týdeníku The Economist

Poradíme si i bez GPS?

Bez satelitních navigačních systémů už prakticky neumíme fungovat. Přitom je velice snadné jejich signál rušit a blokovat.

Poradíme si i bez GPS?
ilustrační foto | Shutterstock.com

Slovní spojení „kritická infrastruktura“ v člověku vyvolává představu pevných pozemních staveb – silničních a železničních sítí, vodovodního a odpadního potrubí, elektrických rozvodných sítí, internetu a tak dále. Tyto věci jsou tak pevně vetkány do přediva našeho bytí, že je považujeme zároveň za nepostradatelné a samozřejmé. Jedna část infrastruktury, která se v posledních desítkách let stala zcela nepostradatelnou, však není „přízemní“ ani omylem. Řeč je o různých soustavách družic – z nichž nejznámější je americký Globální polohový systém (GPS) –, které obíhají ve vzdálenosti dvaceti tisíc kilometrů kolem Země a vysílají do světa informace o tom, kde přesně jsou a kolik přesně je hodin.

Původním účelem GPS, evropského Galilea, ruského Glonassu i čínského BeiDou bylo umožnit správně naprogramovaným přijímačům na Zemi nebo v její blízkosti vypočítat porovnáním signálů z několika satelitů svou polohu s tolerancí na pár centimetrů. V této roli jsou v podstatě všudypřítomné, když řídí všechno možné od navigačních systémů v letadlech, na lodích a v autech (vojenských i civilních) po zavlažovací a hnojicí systémy v zemědělství. Globální družicové navigační systémy (GNSS), abychom jim dali společné pojmenování, dnes dělají mnohem víc. Protože slouží jako hodiny, které dávají informaci o správné času s přesností na pár desítek nanosekund, hrají klíčovou roli například při koordinaci elektrických rozvodných sítí, mobilních telefonních sítí, při zpracovávání finančních transakcí a regulaci toku informací do datových center a z nich.

Poloha rozhoduje

GNSS sítě však mají jedno slabé místo. Jejich vysílače mají výkon asi jako žárovka v lednici. Jejich signál je tak mizově slabý, že když doputuje k povrchu Země, má menší intenzitu než „šumový práh“ elektromagnetického záření prostředí, jak tomu inženýři s oblibou říkají. Velmi snadno proto může dojít k jeho rušení, ať už nahodilému, či úmyslnému. A čím víc se GNSS využívá, tím je tato slabina důležitější. Technici proto vymýšlejí, jak by se dal satelitní signál zesílit a celý koncept vyztužit.

K rušení signálu z družice někdy dochází náhodou. Letos v lednu například vyšlo najevo, že výpadky GPS v okolí Wilmingtonského mezinárodního letiště v Severní Karolíně způsobovalo wifi zařízení v nedalekém nejmenovaném podniku. GNSS sítě jsou také zranitelné „přírodním“ rušením, k němuž dojde při výronu koronální hmoty ze Slunce, po němž k zemi doletí vlna elektricky nabitých částic. Často je však rušení úmyslné.

Místní problémy mohou způsobovat osobní rušičky signálu (PPJ). Tato zařízení – která lze volně koupit, ale jejich používání je vesměs nelegální – ruší signály GPS, aby auto nemohl sledovat ani dotěrný zaměstnavatel ani podezíravá manželka. Velmi užitečné jsou zejména pro zloděje. V Mexiku je například používají při 85 procentech krádeží aut.

O úroveň výš stojí komerční rušičky signálu v širokém okolí. Tato zařízení, obvykle velká jako kufr, mají legitimní kvazi civilní využití, například když se používají k ochraně potenciálních objektů (veřejných i soukromých), které by se mohly stát terčem satelitně naváděných dronů nebo střel. Při zneužití, úmyslném či neúmyslném, mohou rušit GNSS signál v celých městech. V této souvislosti stojí za pozornost, že severní břeh Černého moře, kde mají ruští pohlaváři včetně prezidenta Vladimira Putina své dači, je místem, kde dochází k častým rozsáhlým výpadkům GNSS, což komplikuje lodní provoz v oblasti.

Špičku v oboru reprezentují vojenské systémy, které dokážou zastřít GNSS signál v perimetru stovek kilometrů. Vedlejší účinky používání těchto rušiček začínají být velkým problémem. Letos v březnu publikoval bruselský Eurocontrol, jenž koordinuje činnost národních organizací řízení letového provozu, studii, podle níž zaznamenali piloti „masivní nárůst“ případů rušení GNSS. V roce 2019 bylo nahlášeno celkem 3564 incidentů, což bylo téměř 22krát tolik co dva roky předtím. Většinou docházelo k problémům v blízkosti válečných zón. Rušičky s dlouhým dosahem se však úmyslně používají také při vedení nízkointenzitního „asymetrického“ boje. Například jihokorejské hlavní město Soul často zažívá rozsáhlé výpadky GNSS, jejichž jediným smysluplným vysvětlením je rušení ze Severní Koreje, jejíž hranice se nachází jen asi 40 kilometrů daleko.

Všechno to rušení, skutečné i domnělé, spolu s jeho sofistikovanější formou zvanou „spoofing“, při níž mají falešné GNSS signály zmást navigační systémy, vede ke snaze najít alternativní, odolnější geolokalizační systémy. V Americe toto úsilí navíc podpořil od prvního ledna letošního roku zvláštní zákon, který ozbrojeným složkám ukládá povinnost do roku 2023 vyvinout „odolné a zachovatelné“ poziční a časovací prostředky.

Jednou z možností, jak toho dosáhnout, je zdokonalit samotné satelity. Americké letectvo už například začalo na oběžnou dráhu vypouštět novou generaci družic „GPS III“, které dodává zbrojní gigant Lockheed Martin. První z těchto satelitů začaly vysílat právě v lednu. GPS III vysílá o něco silnější signál než jeho předchůdce. Jeho hlavní výhoda však spočívá v šifrovacím systému, jehož podrobnosti zůstávají utajeny a který se stará o to, aby se dal satelitní signál hůr zablokovat. Oba tyto prvky ocení armádní uživatelé. Civilistům však příliš nepomohou, protože šifrování nebudou moci používat.

Na pomoc civilistům

Těm, kdo jsou ochotni si zaplatit za spolehlivou geolokalizaci a časové známky, by ovšem mohli pomoci soukromí podnikatelé, kteří uvádějí do provozu alternativní satelitní sítě. Například virginská firma Satelles používá Iridium, soustavu 66 družic obíhajících ve vzdálenosti 800 kilometrů od Země, k přeposílání zašifrovaných časových údajů ze sítě super přesných pozemních hodin v kombinaci s údaji o aktuální poloze satelitů (čímž napodobuje funkci GNSS sítě). Tuto službu už nyní využívají nejrůznější telekomunikační firmy, datová centra, burzy a banky.

Časové a polohové údaje poskytované systémem Satelles jsou v prvním případě o něco a ve druhém podstatně méně přesné než data z GNSS. Ale protože satelity Iridium obíhají na pouhé jedné pětadvacetině vzdálenosti družicové soustavy GNSS, je jejich systém více než tisíckrát silnější, což dramaticky snižuje dosah rušiček. Zákazníci Satelles pocházejí vesměs z Ameriky, protože právě tam si podle šéfa Satelles Michaela O’Connora nejvíc řeklo: „Krucinál, potřebujeme zálohu.“ Kdyby měl Satelles klienty v Soulu, tvrdí O’Connor, severokorejské rušičky by jim nedělaly potíže.

Výrazně omezit se dá i spoofing. Belgická firma Septentrio právě vyvíjí speciální anténu, která dokáže rozlišit signál, který přišel z oblohy, a tudíž si s sebou nese nepatrné zkreslení způsobené ionosférou, od čistšího, ovšem falešného signálu ze Země. Kouzlo Septentria spočívá v hardwaru, jmenovitě ve složité soustavě vodičů a izolátorů uvnitř antény. Podobnou práci ovšem zvládne i software. Americké ministerstvo vnitřní bezpečnosti nedávno uvolnilo sadu algoritmů, které mají inženýrům pomoci při vyvíjení antispoofovacích  programů. Šéfové evropského Galilea zase s pomocí Septentria testují novou, veřejně dostupnou antispoofovací šifrovací službu OSNMA.

Nejbezpečnější je však překvapivě staromódní metoda – použít jako zálohu ke GNSS pozemní systémy. A díky vývoji levných a spolehlivých atomových hodin je to čím dál snazší.

Rozsviťte majáky

Francouzská firma Orolia, která takové hodiny vyrábí, hlásí vysoký zájem o pozemní verze svých miniaturních rubidiových oscilátorů, které loni v červnu uvedla na trh. Mají velikost poloviny krabičky cigaret a dají se tedy široce využít. Podle Thierryho Delhommea, šéfa evropské divize Orolia, mají obvykle odchylku menší než jednu mikrosekundu denně. To není na přístroj, který se prodává za pár tisíc dolarů (oproti 1,5 milionu za nejlepší hodiny používané v satelitech), vůbec špatné a uživateli by jistě pomohl překlenout dočasný výpadek satelitního signálu. Ale pří výpadku delším než den dva, budou mít i tyto nové hodiny takovou odchylku, že to může způsobit problémy.

Nizozemská společnost OPNT proto přišla s jiným nápadem. Chce přenášet přesný čas v podobě pulzů po optických kabelech, nikoliv ze satelitů. Daly by se k tomu využít stávající optické sítě, přičemž by se vždy pro daný účel vyhradilo jedno vlákno.

Úplným návratem do minulosti je potom vzkříšení staré myšlenky sítě pozemních navigačních majáků, podobných systému Loran, používanému za druhé světové války americkým a britským námořnictvem. Podle George Shawa z Všeobecného úřadu pro majáky v Británii a Irsku, který spravuje pobřežní navigační systém Britských ostrovů, se několik států právě domlouvá na vytvoření sítí zdokonalených „eLoranů“. Patří k nim Čína, Írán, Rusko, Saúdská Arábie a Jižní Korea. V menším měřítku to zkoušejí i soukromé subjekty, jako je kalifornský NextNav, jenž staví v San Francisku síť ze stovky malých majáků, které budou po městě vysílat časové a polohové údaje. Hustota této sítě a skutečnost, že mohou brát elektřinu z městské rozvodné sítě, takže se nemusejí jako GNSS satelity spoléhat na to, co vyrobí solární panely, znamená, že budou mít zhruba 100tisíckrát silnější signál než cokoli, co přijde z družice, takže půjdou jen velmi obtížně blokovat, rušit nebo zmást.

© 2021 The Economist Newspaper Limited
All rights reserved. Publikováno na základě licence s The Economist, přeloženo týdeníkem Hrot.
Originální článek v angličtině najdete na www.economist.com.

Týdeník hrot

  • Jak se lepí díra po covidu
  • Judista mezi jurtami
Objednat nyní