سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌ای چیست و چگونه کار می‌کند؛ بررسی ادعاها درباره جایگزینی BeiDou با GPS

در جنگ ۱۲ روزه و پس از آن، GPS در داخل کشور با تداخل روبه‌رو شده و در برخی از مناطق مختلف کشور سیستم‌های موقعیت‌یاب فعال نیست. چندی پیش اما احسان چیت‌ساز، معاون وزیر ارتباطات، از احتمال جایگزینی GPS با سیستم مشابه چینی خبر داد و گفت به این دلیل که GPS در دست وزارت دفاع آمریکا است، ممکن است سیستم‌ها به گزینه‌های جایگزین مانند BeiDou سوق داده شوند. اما آیا امکان این کار وجود دارد؟ دیجیاتو در این گزارش ضمن بررسی نحوه عملکرد سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌ای، این ادعا را نیز به بحث گذاشته است. 

اختلال GPS از کجا شروع شد؟

در طول چند هفته گذشته، گزارشاتی از اختلال در GPS گزارش شد و این موضوع برخی از فعالیت‌های روزمره شهروندان را دچار کرد. کاربران اپلیکیشن‌های مسیریابی موقعیت دقیق خود را دریافت نمی‌کردند و با مکان‌های نامشخص روبه‌رو می‌شدند. در هنگام جنگ، سرویس‌های مسیریابی و نقشه‌ها کارکرد خود را از دست دادند و این مسئله به دلیل درگیر بودن کشور با یک جنگ سایبری، شهروندان را مجبور می‌کرد تا موقعیت خودشان را به شکل دستی تشخیص دهند. این موضوع پس از جنگ نیز ادامه داشت و تا به امروز، در برخی از شهرها و مناطق کشور، سیستم GPS به درستی کار نمی‌کند.

آیا جایگزینی امکان‌پذیر است؟

«احسان چیت‌ساز»، معاون وزیر ارتباطات، در گفت‌وگو با هم‌میهن اشاره کرده بود که به دلیل اینکه GPS در اختیار وزارت دفاع آمریکاست، مشابه چینی GPS یعنی BeiDou، راه جایگزین در نظر گرفته شده. این جایگزینی اما فرایند ساده‌ای نخواهد داشت.

«آرین اقبال»، کارشناس حوزه شبکه در پاسخ به این سوال که جایگزینی BeiDou با GPS چگونه می‌تواند رخ دهد، به دیجیاتو توضیح می‌دهد: «این موضوع به طور کل نشدنی است. سیستمی وجود دارد به نام GNSS که مجموعه‌ای از چهار سیستم است و دیگر تنها GPS وجود ندارد. تلفن‌های همراه از هر چهار سیستم پشتیبانی می‌کنند و این امکان وجود ندارد که بگویم یک سیگنال را دریافت کن و سیگنال دیگر را نه.»
اقبال ادامه می‌دهد: «از طرف دیگر، این موضوع بی‌معنی است زیرا این تنها یک پروتکل است که فقط مکان ماهواره را به سرعت ارسال می‌کند و مابقی ماجرا روی گوشی شما محاسبه می‌شود. آمریکا اساساً نمی‌تواند روی آن اختلال ایجاد کند. گوشی از مجموع هر چهار سیستم، موقعیت را حساب می‌کند و نه تنها از GPS.»
اقبال درباره اختلال موجود گفت: «اختلال حال حاضر  به شکل جمینگ (Jamming) است که توسط خود حاکمیت داخل اجرا کرده است و روی هر چهار سیستم دارد اجرا می‌شود. قبل‌تر در اتوبان صیاد رد که می‌شدیم، GPS دچار اختلال می‌شد، حالا همان اتفاق تنها در ابعاد بزرگ‌تر در حال رخ دادن است.»

با توجه به توضیحات اقبال، مسئله از آن چیزی که معاون وزیر ارتباطات بیان کرده، پیچیده‌تر است. پیشتر «یاسر عشورزاده»، مدیرعامل تیزنگر نیز در گفتگو با دیجیاتو، اشاره کرده بود که اظهار نظر معاون وزیر ارتباطات «شوخی خنده‌داری است» و پیشنهاد او نه فنی است، نه عملی. عشورزاده گفته بود اگر قرار باشد از BeiDou استفاده کنیم، باید گیرنده‌های تعیین موقعیت ویژه‌ای داشته باشیم که تنها سیگنال‌های BeiDou را دریافت کنند. اما در حال حاضر چنین دستگاه‌ها و ابزارهایی در کشور وجود ندارد و امکان تجهیز عمومی و کامل به این سامانه را نداریم. 

در ادامه گزارش، سازوکار سیستم GNSS و اینکه این سامانه چطور دچار اختلال می‌شود را مورد بررسی قرار دادیم.

GNSS چیست؟

سامانه جهانی ناوبری ماهواره‌ای GNSS یا Global Navigation Satellite System به مجموعه‌ای از سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای گفته می‌شود که امکان تعیین موقعیت، سرعت و زمان را برای کاربران در سراسر کره زمین فراهم می‌کنند. این فناوری به‌طور بی‌وقفه، داده‌هایی را از ده‌ها ماهواره در مدار زمین به گیرنده‌های زمینی ارسال می‌کند؛ گیرنده‌هایی که در گوشی‌های هوشمند، هواپیماها، کشتی‌ها، ساعت‌های هوشمند و حتی پهپادها تعبیه شده‌اند.

GNSSها چگونه کار می‌کنند؟

این سامانه‌ها با استفاده از شبکه‌ای از ماهواره‌ها، ایستگاه‌های زمینی و گیرنده‌ها، امکان تعیین دقیق موقعیت جغرافیایی (طول، عرض، ارتفاع) و زمان را فراهم می‌کنند. سیستم‌های GNSS از سه بخش کلیدی تشکیل شده‌اند. بخش اول بخش فضایی (Space Segment) است که شامل مجموعه‌ای از ماهواره‌ها است که در مدارهای متوسط زمین (MEO، در ارتفاع حدود ۲۰۰۰۰ کیلومتری) یا مدارهای دیگر قرار دارند. هر ماهواره مجهز به ساعت‌های اتمی بسیار دقیق است که سیگنال‌های حاوی اطلاعات زمان و موقعیت را به زمین ارسال می‌کند. 

بخش دوم، بخش کنترل (Control Segment) است که شبکه‌ای است از ایستگاه‌های زمینی که وظیفه نظارت، مدیریت و به‌روزرسانی ماهواره‌ها را بر عهده دارند. این ایستگاه‌ها مدار ماهواره‌ها را تنظیم، ساعت‌های اتمی را همگام‌سازی و داده‌های اصلاحی مانند تصحیح خطاهای جوی را ارسال می‌کنند. 

بخش سوم، بخش کاربری (User Segment) است و شامل گیرنده‌های GNSS مانند گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های ناوبری خودرو، یا تجهیزات نقشه‌برداری است که سیگنال‌های ماهواره‌ای را دریافت و پردازش می‌کنند. گیرنده‌ها با تحلیل سیگنال‌ها، موقعیت و زمان را محاسبه می‌کنند. 

فرایند عملکرد GNSS

GNSS با استفاده از تکنیک تری‌لاتراسیون (Trilateration) و سیگنال‌های ارسالی از ماهواره‌ها، موقعیت و زمان را تعیین می‌کند. در این روش، گیرنده با استفاده از سیگنال‌های ارسالی از چند ماهواره می‌تواند مکان دقیق خود را در زمین (طول، عرض و ارتفاع) و همچنین زمان را با دقت بالا محاسبه کند.

در نخستین مرحله، ماهواره‌های GNSS به‌طور مداوم سیگنال‌های رادیویی را در فرکانس‌های مشخص مانند L1، L2 یا L5 در GPS به زمین ارسال می‌کنند. این سیگنال‌ها حاوی اطلاعات کلیدی هستند؛ از جمله زمان دقیق ارسال سیگنال بر پایه ساعت‌های اتمی فوق دقیق در ماهواره، موقعیت فعلی ماهواره و داده‌هایی برای تصحیح خطاهایی مانند تاخیرات جوی.

زمانی که یک گیرنده GNSS مانند گوشی هوشمند یا دستگاه‌های ناوبری خودرو این سیگنال‌ها را دریافت می‌کند، می‌تواند فاصله خود تا هر ماهواره را با اندازه‌گیری تاخیر زمانی بین ارسال و دریافت سیگنال محاسبه کند.

برای محاسبه موقعیت سه‌بعدی، گیرنده باید حداقل سیگنال چهار ماهواره را دریافت کند. اطلاعات سه ماهواره برای تعیین مختصات فضایی (x, y, z) کافی است، اما به دلیل اینکه ساعت داخلی گیرنده‌ها به‌دقت ساعت‌های اتمی ماهواره‌ها نیست، وجود یک ماهواره چهارم برای اصلاح خطای زمانی الزامی است. با استفاده از این اطلاعات و حل معادلات ریاضی مربوط به تریلاتراسیون، موقعیت دقیق گیرنده تعیین می‌شود.

البته فرآیند موقعیت‌یابی همیشه با دقت کامل همراه نیست. سیگنال‌های GNSS ممکن است در مسیر رسیدن به گیرنده دچار خطایی مانند تاخیر جوی، بازتاب سیگنال از ساختمان‌ها، خطاهای مداری یا خطای ساعت شوند. برای کاهش این اختلالات، از روش‌هایی مانند GPS تفاضلی یا استفاده از سیگنال‌های چند فرکانسی بهره گرفته می‌شود.

در نهایت، پس از انجام همه این پردازش‌ها، گیرنده اطلاعات دقیقی مانند موقعیت جغرافیایی (طول، عرض، ارتفاع)، سرعت حرکت (در صورت جابه‌جایی) و زمان دقیق را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. این داده‌ها در کاربزدهایی مانند مسیریابی، نقشه‌برداری، زمان‌بندی شبکه‌های مخابراتی و حتی در هدایت پهپادها یا خودروهای خودران به کار گرفته می‌شوند.

برخلاف باور رایج که «GPS» را تنها سیستم مکان‌یابی می‌دانند، GNSS در واقع مجموعه‌ای از چهار سامانه جهانی است که هر کدام توسط کشور یا مجموعه‌ای خاص مدیریت می‌شوند. GPS، متعلق به ایالات متحده، قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین سامانه GNSS است که با بیش از ۳۰ ماهواره فعال در سراسر جهان استفاده می‌شود. GLONASS، توسعه‌یافته توسط روسیه، در مناطق شمالی زمین عملکرد بهتری دارد. Galileo، متعلق به اتحادیه اروپا، با تمرکز بر کاربردهای غیرنظامی و خدمات عمومی با دقت بالا طراحی شده است. BeiDou، سامانه چینی، در دهه اخیر با سرعت چشمگیری گسترش یافته و اکنون پوشش جهانی ارائه می‌دهد. این سامانه‌ها هر کدام ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را دارند. این سیستم‌ها دقت و قابلیت اطمینان مکان‌یابی را در سراسر جهان بهبود می‌بخشند.

GPS، اولین GNSS تاریخ

اولین سیستم GNSS در جهان، GPS (مخفف Global Positioning System) بود که توسط وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا توسعه یافت. پروژه GPS در سال ۱۹۷۳ برای غلبه بر محدودیت‌های سیستم‌های ناوبری قبلی آغاز شد. اولین فضاپیمای نمونه در سال ۱۹۷۸ به فضا پرتاب شد و مجموعه کامل ۲۴ ماهواره‌ای در سال ۱۹۹۳ به‌طور عملیاتی درآمد. 

در ابتدا GPS در انحصار وزارت دفاع آمریکا بود و کاربردی نظامی داشت. پس از سرنگونی پرواز ۰۰۷ خطوط هوایی کره‌ای توسط اتحاد جماهیر شوروی که به اشتباه وارد حریم هوایی آن کشور شده بود، رونالد ریگان، رئیس‌جمهور وقت آمریکا، تصمیم گرفت سیستم GPS برای استفاده غیرنظامی نیز در دسترس قرار گیرد. این تصمیم در سال ۱۹۸۸ عملیاتی شد، با این حال استفاده غیرنظامی در ابتدا به دقت متوسط ۱۰۰ متر محدود بود. 

تا سال ۲۰۰۰، GPS از فناوری Selective Availability استفاده می‌کرد که دقت سیگنال‌های غیرنظامی را کاهش می‌داد. این موضوع کشورها را به توسعه سیستم‌هایی با دقت بالاتر برای کاربران عمومی تشویق کرد. در پاسخ به محدودیت‌های موجود در GPS، چندین کشور و اتحادیه‌های منطقه‌ای سیستم‌های GNSS جهانی یا منطقه‌ای خود را توسعه دادند. این اقدام به دلایل استراتژیک، اقتصادی، منطقه‌ای و فناوری بود. در دوران جنگ سرد، روسیه به دنبال سیستمی مستقل از GPS بود تا در عملیات نظامی و امنیتی به ایالات متحده وابسته نباشد. GLONASS برای هدایت نیروها، موشک‌ها و تجهیزات نظامی طراحی شد و استقلال استراتژیک را تضمین کرد. از آن‌جایی که GPS در مناطق قطبی ضعف از خود نشان می‌داد و این مناطق برای روسیه اهمیت داشت، GLONASS به دلیل طراحی خاص مداری خود، پوشش بهتری در عرض‌های جغرافیایی بالا ارائه می‌داد. توسعه GLONASS در دوران جنگ سرد نمادی از رقابت فناوری با ایالات متحده بود و امروزه به‌عنوان نشانه‌ای از توانمندی علمی روسیه شناخته می‌شود.

اروپا نیز برای کاهش وابستگی به GPS و اطمینان از دسترسی به خدمات ناوبری در شرایط بحرانی (مانند درگیری‌های سیاسی) Galileo را توسعه داد. در کنار رقابت با GPS، هدف دیگر آن ارائه خدمات تجاری پیشرفته مانند سیگنال‌های با دقت بالا برای کاربران غیرنظامی توسعه یافت، که به رشد اقتصادی اروپا کمک می‌کند. برنامه‌ریزی Galileo از اواخر دهه ۱۹۹۰ آغاز شد، اولین ماهواره در سال ۲۰۰۵ پرتاب شد و در سال ۲۰۱۶ به‌صورت اولیه عملیاتی شد. سیگنال رمزنگاری‌شده (PRS (Public Regulated Service نیز برای کاربردهای دولتی و نظامی طراحی شد. 

چین یکی دیگر از کشورهایی بود که برای ایجاد GNSS خود اقدام کرد. چین نام آن را BeiDou گذاشت و توسعه آن از دهه ۱۹۹۰ آغاز شد. فاز اول (منطقه‌ای) در سال ۲۰۰۰، فاز دوم در ۲۰۱۲ و فاز سوم (جهانی) در سال ۲۰۲۰ عملیاتی شد. هدف از توسعه آن، بخشی از استراتژی "کمربند و جاده" چین بود تا نفوذ اقتصادی و فناوری خود را در کشورهای در حال توسعه (مانند آفریقا و آسیای جنوب شرقی) گسترش دهد. این سیستم همچنین بخشی از استراتژی ژئوپلیتیکی چین برای گسترش نفوذ جهانی است. BeiDou پوشش قوی‌تری در منطقه آسیا-اقیانوسیه ارائه می‌دهد و برای کاربردهای منطقه‌ای و جهانی بهینه‌سازی شده است. 

استفاده از چندین سیستم GNSS 

این سیستم در دستگاه‌های امروزی متداول است و دستگاه‌های مدرن اغلب از چندین سیستم GNSS مانند GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou به‌طور همزمان استفاده می‌کنند. استفاده از آن باعث افزایش تعداد ماهواره‌های قابل‌دسترس شده و دقت و پایداری را در مناطق چالش‌برانگیز مثل شهرهای متراکم یا مناطق کوهستانی بهبود می‌بخشد. ترکیب سیگنال‌های چند سیستم، خطاها را کاهش می‌دهد. همچنین در مناطقی که یک سیستم مانند GPS سیگنال ضعیفی دارد، سیستم‌های دیگر می‌توانند ضعف موجود را جبران کنند. 

اهمیت GNSS در دنیای امروزی چیست؟

در دنیای امروز و به خصوص زندگی دیجیتال، GNSSها نقش مهمی را ایفا می‌کنند. در خودروها، هواپیماها، کشتی‌ها و گوشی‌های هوشمند نقش ناوبری دارند. در نقشه‌برداری و زمین‌سنجی برای تهیه نقشه‌های دقیق و پایش تغییرات زمین از GNSS استفاده می‌شود. شبکه‌های مخابراتی، بانکی و برقی نیز از آن برای همگام‌سازی و زمان‌بندی استفاده می‌کنند. در زمینه کشاورزی برای مدیریت منابع و کاشت بهینه از GNSS بهره گیری ‌می‌شود. چنین سیستمی حتی می‌تواند برای مواقع اضطراری و حیاتی، کارآمد باشد و در شرایط بحرانی، موقعیت‌یابی انجام دهد. 

اگر یک GNSS قطع شود، چه رخ می‌دهد؟

در صورتی که یکی از سیستم‌های GNSS، مانند GPS یا هر سیستم دیگر به دلیل خرابی فنی، تحریم‌های سیاسی، جنگ سایبری یا اختلال عمدی به‌طور کامل قطع شود، دستگاه‌های Multi-GNSS همچنان می‌توانند به کار خود ادامه دهند؛ اما این ادامه فعالیت دچار برخی از محدودیت‌ها می‌شود.

در شرایط عادی، دستگاه‌های Multi-GNSS همچنان می‌توانند با استفاده از ماهواره‌های GLONASS، Galileo یا BeiDou موقعیت‌یابی کنند، زیرا برای تعیین موقعیت حداقل ۴ ماهواره کافی است. اما در مناطق با پوشش ضعیف، کاهش تعداد ماهواره‌ها ممکن است دقت را کمی کاهش دهد یا زمان محاسبه موقعیت را افزایش دهد.

ایجاد اختلال عمدی در GNSSها

در فعالیت GNSSها امکان ایجاد اختلال وجود دارد تا یک منطقه جغرافیایی تداخل سیگنال ایجاد شود. زمانی که این اختلال‌ها به وجود بیایند، منطقه جغرافیایی تحت اختلال قرار گرفته، و دستگاه‌های گیرنده توانایی دریافت سیگنال را از دست می‌دهند.
اختلال عمدی در GNSSها به دو صورت ممکن است رخ دهد. حالت اول اختلال به شکل جمینگ (Jamming) است. جمینگ به معنای اختلال عمدی یا غیرعمدی در سیگنال‌های GNSS از طریق ارسال سیگنال‌های رادیویی قوی‌تر در فرکانس‌های مشابه است. این کار باعث می‌شود گیرنده‌های GNSS نتوانند سیگنال‌های اصلی ماهواره‌ها را به‌درستی دریافت یا پردازش کنند. جمینگ عمدی می‌تواند توسط افراد، گروه‌ها یا دولت‌ها برای اهداف نظامی، امنیتی یا غیرقانونی مانند جلوگیری از ردیابی انجام می‌شود. گاهی جمینگ ممکن است به شکل تصادفی رخ دهد. جمینگ تصادفی ناشی از تداخل تجهیزات دیگر مانند فرستنده‌های رادیویی یا دستگاه‌های مخابراتی می‌تواند باشد که به‌طور تصادفی در فرکانس‌های GNSS اختلال ایجاد می‌کنند.
زمانی که جمینگ وجود داشته باشد، گیرنده GNSS ممکن است نتواند سیگنال‌های کافی برای محاسبه موقعیت دریافت کند، که منجر به از دست رفتن خدمات ناوبری می‌شود. در شرایط جنگی نیز به طور گسترده از جمینگ استفاده می‌شود تا عملیات نظامی وابسته به GNSS مانند هدایت موشک یا پهپاد را مختل کند. 

روش دوم ایجاد اختلال در GNSS، اسپوفینگ (Spoofing) است که نسبت به جمینگ، سازوکار پیچیده‌تری دارد. اسپوفینگ به معنای جعل سیگنال‌های GNSS است، به‌طوری که گیرنده سیگنال‌های جعلی را به‌عنوان سیگنال‌های معتبر از ماهواره‌ها تشخیص داده و اطلاعات نادرستی مثل موقعیت یا زمان اشتباه را تولید می‌کند.
شیوه عملکرد اسپوفینگ به این شکل است که یک دستگاه اسپوفینگ سیگنال‌های جعلی تولید می‌کند که از نظر ساختار مشابه سیگنال‌های اصلی GNSS مانند داده‌های زمان، موقعیت و کدهای شناسایی ماهواره هستند. این سیگنال‌ها معمولاً قوی‌تر از سیگنال‌های اصلی هستند تا گیرنده‌ها را فریب دهند.
زمانی که یک دستگاه اسپوفینگ فعال باشد، فعالیت سیستم‌های ردیابی مانند ردیاب‌های خودرو مختل می‌شود و دستگاه‌ها با آدرس اشتباهی روبه‌رو می‌شوند. در مناطق جنگی نیز اسپوفینگ می‌تواند پهپادها یا موشک‌ها را به مسیرهای اشتباه هدایت کند.

آیا در حال حاضر راهی برای جلوگیری از اختلال‌ها وجود دارد؟

جلوگیری از اختلال‌های GNSS کار ساده‌ای نیست و نیاز به تجهیزات خاصی دارد. عملکرد راهکارهای جلوگیری از اختلال‌ها، به نوع اختلال، تجهیزات موجود، و شرایط محیطی بستگی دارد. دور زدن جمینگ و اسپوفینگ GPS نیازمند ترکیبی از راهکارهای فنی مانند آنتن‌های چند فرکانسه، فیلترهای پیشرفته، و سیستم‌های ترکیبی و عملیاتی مانند نقشه‌های آفلاین و INS است. طبق مشاهدات دیجیاتو، در برخی از مناطق شهری سیستم‌های GNSS فعال هستند و در مناطقی دیگر ممکن است دسترسی به نقشه‌ها و سیستم‌های ردیابی وجود نداشته باشد. 

نتیجه‌گیری

با توجه به اطلاعات فنی و نظر کارشناسان، نبود ثبات در فعالیت GNSS‌ها چالشی است که راه حلی ندارد و فعال کردن آن از دسترس کاربران خارج است. همچنین جایگزینی یکی از سیستم‌های ماهواره‌ای با دیگری، برای مثال BeiDou به جای GPS، برخلاف ادعاهای مطرح شده، روش قابل اجرایی نیست.