Проблемите на навигацията от миналото до наши дни. Защо GPS не е съвършен и се налагат алтернативи?

[SAlexandrov]

Проблемите на навигацията от миналото до наши дни. Защо GPS не е съвършен и се налагат алтернативи?

 

GPS спътник в орбита около Земята. Image credit : NASA

3 септември 2025 г. 19:50 ч.

Светослав Александров. Заглушаването на GPS сигнала на самолета, с който в неделя пътуваше към България председателката на ЕК Урсула фон дер Лайен, е само един от хилядите примери затова как най-значимата в съвремието навигационна система може да стане недостъпна, което поражда необходимост от алтернативи. Самият факт, че миналият месец военната совалка на САЩ „X-37B“ излетя в космоса със задача именно да изпита нова, алтернативна технология за навигация, подчертава актуалността на проблема. В днешната подробна статия ще ви разкажа историята на навигацията, проблемите, с които хората са се сблъсквали от миналото до наши дни и как войната променя всичко.

Откакто свят светува и хората се придвижват от едно място на друго, съществува необходимостта от прецизно определяне къде се намират. Още древните мореплаватели са знаели, че лесно могат да определят географската си ширина, докато наблюдават Слънцето, Полярната звезда или използват други астрономически ориентири. Но определянето на географската дължина (т.е. да знаеш местоположението си по направлението изток-запад, а не север-юг) е неимоверно по-трудна задача, а липсата на точен метод е бил колосален проблем, който нееднократно е водил до трагедии.

На 21 октомври 1707 г. флотилия от 21 кораба, които се завръщат във Великобритания след пътешествие до Средиземноморието, навлизат в Ламанша под ръководството на капитан Клоудесли Шовъл и неговия кораб Асосиейшън. Шовъл се съветва с екипажа си относно това къде се намират по отношение на географската им дължина и стига до извода, че са край френския остров Ушант. Истината обаче е, че преценката на Шовъл е грешна, а корабите плават близко до малките островчета Сили. В нощта срещу 22-ри октомври Асосиейшън и още четири кораба се разбиват върху стръмните скали край Сили. Загиват над 2 000 души, като това се превръща в една от най-големите морски трагедии в историята на Великобритания.

През юли 1714 г. Парламентът на Великобритания прекарва законопроект, постановявящ създаването на т.нар. Комисия за определянето на географската дължина. Задачата на комисията е да предоставя парични награди на изобретатели, които трябва да измислят прецизен навигационен метод за британските кораби. Състезанието е спечелено от дърводелеца и часовникар Джон Харисън през 1773 г., който изобретява морския хронометър – изключително точен часовник, способен да работи прецизно и на люлеещ се от вълните кораб. Моряците най-после разполагат със способ да измерват точно времето на борда и съобразно скоростта на кораба да изчисляват географската дължина.

След 18-ти век океанските пътешествия стават рутинни, а проблемът с географската дължина изглежда решен. Това продължава до началото на 20-ти век, когато се появяват самолетите. Съответно, изчисленията вече трябва да бъдат съобразени с тяхната висока скорост, а не с тази на бавноподвижните кораби. Около времето на Чарлз Линдберг, който през 1927 г. за пръв път прелита от Ню Йорк до Париж без да кацне, човечеството става свидетел не само на авиационни рекорди, но и на трагедии заради рудиментарните способи за навигация (изт. Smithsonian).

През 1931 г. Уили Поуст обикаля света заедно със своя навигатор Харолд Гати, разбивайки предходните рекорди. Техният самолет на име Уини Мей служи за изпитателна платформа на множество технологии, включително на новата навигационна система Уиймс. Част от системата включва модерен хронометър, създаден в сътрудничество с Longines, притежаващ въртящ се безел и синхронизираща се секундна стрелка. Този часовник става незаменим във времената, предшестващи GPS. И все пак трагедиите поради навигационни грешки се случват често, като вероятно най-известната е тази с безследно изчезналата Амелия Еърхарт през 1937 г.

Когато пред 1957 г. СССР изстрелва първия изкуствен спътник „Спутник 1“, учените успяват да го проследят посредством Доплеровото отместване на неговите радиосигнали. Ето защо веднага започват да се търсят приложения за космическите технологии в навигацията. Много от ранните опити за създаването на навигационни космически системи в САЩ са описани подробно в книгата GPS Declassified: From Smart Bombs to Smartphones на Ричард Ийстън и Ерик Фрейзиър. Ричард Ийстън не е случаен човек – той е синът на Роджър Ийстън, основателно посочван за изобретателя на GPS. В своя статия за The Space Review, Р. Ийстън разказва, че първата навигационна система се казва „Транзит“, като концепцията за нейното създаване се появява още през 1958 г., месеци след „Спутник 1“. Първият опит за изстрелване на навигационен спътник през септември 1959 г. завършва с провал, но вторият на 13 април 1960 г. е успешен. Навигационната система влиза в експлоатация през 1964 г., а според Ийстън много скоро тя започва да се използва и за граждански цели, не само за военни.

Проблемът с „Транзит“, която през 60-те години работи на базата на Доплеровия ефект е, че тя е 2D-система и може да се използва само веднъж на всеки час. Тя представлява безспорен напредък в сравнение с всичко налично до този момент, но Пентагонът желае да разполага с 3D-система, която работи непрекъснато във всякакви метеорологични условия. Разработката на системата, която впоследствие получава названието Глобална система за позициониране (или GPS) започва през 1973 година. За разлика от „Транзит“, GPS не разчита на Доплеровия ефект, а се използва времето, което е необходимо на сигнала, за да пристигне от спътника до приемника, за да изчисли разстоянието между тях. Необходими са четири спътника за правилното функциониране – три предоставят 3D локация (географска ширина, географска дължина и височина), докато четвъртият се използва за корекция на времето, тъй като вашият приемник няма толкова прецизен часовник, колкото са атомните часовници на спътниците. Широко разпространената информация в медиите гласи, че след като на 1 септември 1983 г. съветски самолет-прехващач „Су-15“ сваля Полет 007 на „Кориън Еър Лайнс“ от Ню Йорк до Сеул, тогавашният президент на САЩ издава директива GPS да се внедри за гражданска употреба. Според Ричард Ийстън обаче GPS системата още от самото си начало е била проектирана да се ползва от гражданите.

Както пише Лорън Милър в своя статия за The Space Review, авиацията винаги е била тясно свързана с усилията по създаването на глобални навигационни системи. През 2003 г. Федералната авиационна администрация разработва системата WAAS (Wide Area Augmentation System), вид спътниково-базирана система (на англ. SBAS, Satellite-Based Augmentation System) за подобряване на качеството на GPS за целите на гражданската авиация или по-точно за да отговаря на нуждите за прецизно насочване към пистата и кацане. SBAS-системите комбинират възможностите на основните GPS спътници в средна околоземна орбита, на тези в геостационарна орбита и на наземните референтни станции, за да коригрират грешките при определянето на разстояние (изт. Stanford). В Европа през 2011 г. е стартирана EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) – аналогична система от типа SBAS. А тъй като Европа си има и цялостна своя собствена навигационна система на име „Галилео“, през 2024 г. Европейската космическа агенция съобщи, че тя вече също отговаря на международните стандарти за гражданска авиация, подобно на американската GPS.

Ето как системите за глобална навигация (като GPS и „Галилео“), заедно с WAAS или EGNOS, позволяват на пилотите да навигират и да кацат дори и в лоши метеорологични условия. Но проблемът на зависимостта на авиацията от тези системи е, че те подлежат на заглушаване, което може да се случва неволно (случаен радиоизлъчвател, който работи на честота, сходна с тази на спътниците) или волно (умишлено заглушаване, което се случва при военен конфликт). В своята статия Милър споменава за случай на неволно заглушаване, на 21 януари 2022 година, в САЩ, района на летището Денвър, щата Колорадо. Прекъсването на услугата трае 33 часа, като то е причинено от радиоизточник, за който впоследствие става ясно, че излъчва неволно радиосигнал на същата честота (L1), която се използва и от GPS. Друг подобен случай възниква на 17 октомври същата година, като тогава източникът никога не е установен.

---

Харесвате ли статиите на КОСМОС БГ като тази ? Подкрепете финансово блога и неговия автор на този линк, за да продължи да съществува!

---

Когато GPS не работи поради заглушаване, пилотите могат да използват резервни системи. Такива са ILS (Instrument Landing System), VOR (Very high-frequency Omni-directional Range) и DME (Distance Measuring Equipment). В случая с кацането на самолета на фон дер Лайен, Politico (позовавайки се на българските правителствени служби) ни информира, че е използвана именно ILS-системата и всичко е минало безпроблемно.

Статия на Метю Мауторп за The Space Review разказва какви технологии използва Русия, за да заглушава GPS сигнала (т.нар. jamming) или да го подменя с фалшив (т.нар. spoofing). Разработени са както фиксирани, така и подвижни заглушители. За да предпазва фиксираната си инфраструктура от влиянието на чужди спътници, Русия е разположила 250 000 устройства на кулите на мобилните оператори с цел намаляване точността на дроновете и балистичните ракети. Счита се, че всяка от тези системи има обхват от около 80 километра. Подвижни заглушители има на станциите „Р-330Ж Жител“ и „Борисоглебск-2“, които са били използвани за подпомагане на руските войски в Сирия и Украйна. Преди войната в Украйна, демонстрация на заглушаването на GPS е била проведена по време на учението на Русия и Беларус „Запад-2017“, както и по време на учение на НАТО, когато Норвегия установява, че руснаците са заглушили GPS сигналите в района на Колския полуостров. На 24 февруари 2022 г., в деня в който Русия напада Украйна, страната провежда атака срещу комерсиална спътникова мрежа, принадлежаща на американската компания Виасат. Атаката не само оказва влияние върху хода на войната, но също така поврежда терминали на граждани в Европа, които са клиенти на услугата, както и попречва на работата на хиляди ветрогенератори в Германия.

Според финландските медии (изт. Yle), заглушаванията на GPS сигналите от страна на Русия безспорно оказват влияние върху работата на летищата във Финландия. Почти всяко едно летище се е налагало да използва алтернативни системи за кацане. И докато през 2023 г. финландците са констатирали едва 200 заглушавания, през 2024 г. този брой нараснал до 2 800.

Военните на САЩ безспорно осъзнават опасността, която неприятелските държави като Русия представляват за демократичния свят, и съответно са предприели мерки за създаването на алтернативни навигационни системи. Както съобщих още в началото на статията, изстреляната на 22 август военна совалка на САЩ „X-37B“ изведе в космоса изпитателна навигационна технология. Става въпрос за нов тип квантов инерционен датчик, който ще осигури възможност за навигация чрез определянето на ротацията и ускоряването на атомите. Тази технология е напълно независима от GPS мрежите. Освен това, съобразно информацията от страна на американските ВВС, квантовият инерционен датчик ще може да се прилага и при навигация в цислунарното пространство. Това ще облекчи космическите пътешествия, които се провеждат далече от Земята.

https://cosmos.1.bg/space/2025/09/03/gps-navigation-system-jamming/