مدت زیادی از آخرین باری که چیزی نوشتم گذشته، نوشتن همیشه برام لذت‌بخش بوده، اما هر چی فاصله بیشتر شد، شروع دوباره سخت‌تر شد. مثل هل دادن چرخی که مدت‌ها ایستاده شروعش تلاش زیادی می‌خواد، بگذریم، چند سالی می‌شه که بحث «وابستگی خطرناک ما به GPS» بین متخصص‌ها داغ شده. همه‌مون می‌دونیم که GPS چقدر توی زندگی مدرن نفوذ کرده، از مسیریابی و تاکسی اینترنتی گرفته تا بورس و اینترنت و شبکه برق. ولی خیلی کم درباره‌ی این فکر می‌کنیم که اگه یه روزی GPS از کار بیفته چی؟
توی این مقاله می‌خوایم درباره یه روش تازه و جالب حرف بزنیم که بدون نیاز به ماهواره، میتونه زمان و موقعیت دقیق رو در اختیار سیستم‌های مختلف بذاره. این موضوع، مخصوصاً وقتی حیاتی می‌شه که ماهواره‌ها به هر دلیلی از دسترس خارج بشن، مثل زمان جنگ، حملات اسپوفیتگ یا اختلالات عمدی.
تو دنیایی که تقریباً همه‌چیز به زمان دقیق وابسته‌ست، از سیستم‌های مالی گرفته تا شبکه برق و ارتباطات — نداشتن یه جایگزین قابل‌اعتماد برای GPS میتونه یه بحران جدی درست کنه. این مقاله بررسی می‌کنه که آیا این روش جدید واقعاً میتونه تو شرایط حساس، پشتیبان مطمئنی برای زیرساخت‌های حیاتی باشه یا نه.
سیستم‌های PNT (مخفف Position, Navigation, and Timing) برای امنیت ملی و اقتصادی ما حیاتی هستند. تقریباً همه افراد به‌طور روزمره از سامانه موقعیت‌یابی (GPS/GNSS) استفاده می‌کنند به همین دلیل، GPS/GNSS پرکاربردترین شکل PNT در دنیاست.
تأمین هزینه‌های راه‌اندازی و نگهداری GPS توسط آمریکا انجام می‌شود و این سامانه به‌صورت رایگان و بدون نیاز به اشتراک برای کاربران در دسترس است. همین ویژگی‌ها باعث شده GPS به‌طور گسترده پذیرفته شود و در بیش از ۷ میلیارد دستگاه مثل خودرو، قایق، هواپیما، تلفن همراه، ساعت هوشمند و موارد دیگر تعبیه شود.
ماهواره‌های GPS به‌طور مداوم موقعیت مکانی و زمان دقیق را پخش می‌کنند. دریافت سیگنال از یک ماهواره، زمان را در یک موقعیت مشخص نشان می‌دهد. اگر گیرنده بتواند سیگنال‌های چند ماهواره را هم‌زمان دریافت کند، با استفاده از روشی به‌نام pseudo-range multilateration می‌تواند موقعیت مکانی و زمان دقیق را محاسبه کند. این فرایند پایه‌ی اصلی ناوبری دقیق است که در زمان واقعی (real-time) انجام می‌شود.
اپلیکیشن‌هایی مثل Google Maps، Waze، Uber، حتی نشان و بلد همه وابسته به GPS هستند — بدون آن، این خدمات عملاً غیرقابل استفاده خواهند بود.
اما کاربرد GPS تنها به جایگزینی نقشه‌های کاغذی محدود نمی‌شود. تقریباً همه زیرساخت‌های حیاتی و صنایع مدرن به نوعی به GPS وابسته شده‌اند. این وابستگی به‌حدی است که می‌توان آن را نقطه ضعف حساس و بحرانی در نظر گرفت.
برای نمونه:
افزودن نیروگاه جدید (هسته‌ای، خورشیدی، بادی، یا فسیلی) به شبکه برق به هم‌زمان‌سازی مبتنی بر GPS نیاز دارد.
دکل‌های مخابراتی باید دقیقاً هم‌زمان باشند؛ در غیر این صورت، ارتباط موبایل از کار می‌افتد.
در بورس و معاملات مالی، هر معامله باید طبق الزامات قانونی با زمان دقیق ثبت شود؛ در غیر این صورت، امکان توقف کل سامانه وجود دارد.
در واقع، در بسیاری از کاربردها، نه موقعیت و نه ناوبری، بلکه زمان دقیقی که GPS فراهم می‌کند، نقش کلیدی دارد.
اصلی‌ترین نقطه‌ضعف GPS اینه که ماهواره‌هاش در ارتفاع ده‌ها هزار کیلومتری از سطح زمین در مدار قرار دارن، با توان پایین کار می‌کنن و روی فرکانس‌های شناخته‌شده سیگنال ارسال می‌کنن. وقتی این سیگنال‌ها به سطح زمین می‌رسن، بسیار ضعیف هستن و به‌راحتی میتونن تحت تأثیر نویزهای رادیویی یا حتی طوفان‌های خورشیدی قرار بگیرن.
دستگاه‌های جمینگ GPS به‌سادگی در دسترس هستن (حتی توی مارکت ایران)، و البته مهاجمان به‌طور فعال میتونن از تجهیزات پیشرفته‌ی اسپوفینگ استفاده کنن، تجهیزاتی که میتونن خلبان یک هواپیما یا کاپیتان یک کشتی رو به اشتباه بندازن و موقعیت جعلی بهش نشون بده. موارد زیادی از اختلال در GPS گزارش شده که باعث تعطیلی باندهای فرودگاه، اختلال در ناوبری خودروها و ماشین‌های شده و قبلا در مقاله جنگ الکترونیک تهران به گوشه ای از اون پرداختیم، هم اکنون با مراجعه به سایت gpsjam.org میتونید اختلالات موجود روی GPS رو مشاهده کنید.
از دید نظامی، ماهواره‌های GPS هدف‌هایی بسیار وسوسه‌برانگیز محسوب می‌شن. روسیه و چین هر دو سلاح‌هایی برای نابودی این ماهواره‌ها آزمایش کرده‌اند.
وابستگی زیرساخت‌های حیاتی هرکشوری به GPS، ریسکی بزرگ و رو به افزایش برای اون کشور هست. در همین راستا، در سال ۲۰۲۰، رئیس‌جمهور آمریکا فرمان اجرایی شماره 13905 رو صادر کرد و از دولت خواست تا یک سامانه پشتیبان برای GPS پیدا کنه تا از کشور محافظت بشه!!.
در ژوئیه ۲۰۲۴، انجمن امنیت ملی فضا (NSSA) گزارشی (لینک گزارش) منتشر کرد و در اون تأکید کرد:
«GPS برای جامعه، اقتصاد و امنیت ایالات متحده حیاتی‌ست. تمام ۱۶ بخش زیرساخت حیاتی به اون وابسته‌ان و سبک زندگی آمریکایی‌ها به لطف اون ممکن شده. ارزش اقتصادی GPS برای کشور در حد تریلیون‌ها دلار تخمین زده می‌شه و تأثیر اختلال یا از دست رفتن اون قابل محاسبه نیست.»
در ادامه NSSA هشدار داد که قطع شدن GPS میتونه تمدن رو بیش از ۱۰۰ سال به عقب ببره و پیشنهاد کرد:
«وزارت حمل‌ونقل (DoT)، وزارت امنیت داخلی (DHS) و وزارت بازرگانی (DoC) باید با بخش خصوصی همکاری کنن تا چندین سرویس زمینی مکمل برای PNT توسعه داده، راه‌اندازی و حفظ بشن. قدم اول، که باید در اسرع وقت محقق بشه، تهیه چنین سرویس‌هایی برای محافظت از سامانه‌ها و اپلیکیشن‌های فدرال است.»
همین گزارش های ناسا به خوبی نشون میده که تا کجا ما وابسته به این سیستم هستیم و نبودش چقدر میتونه مخاطره انگیز باشه، در ادامه به بررسی و معرفی BPS می پردازیم که در واقع راهکاری فارغ از ماهواره است و سادگی قابل پیاده سازی در هر کشوری است.
BPS یک روش جدید برای تعیین زمان و موقعیت است که از سیگنال‌های تلویزیونی استفاده می‌کند. این فناوری توسط متخصصان فنی در انجمن ملی پخش‌کنندگان آمریکا (NAB) توسعه یافته و درست مانند تلویزیون دیجیتال و GPS، رایگان و بدون نیاز به اشتراک هستند.
بر خلاف ماهواره‌های GPS که در مدار زمین قرار دارند، سیگنال‌های BPS از سطح زمین و از طریق فرستنده‌های تلویزیونی پخش می‌شوند و زمان را از موقعیتی مشخص ارسال می‌کنند. BPS بر پایه زیرساخت‌های مدرن پخش تلویزیونی و با استفاده از استاندارد بین‌المللی ATSC 3.0 کار می‌کند. این سیستم کاملاً یک‌طرفه است و برای استفاده از آن، هیچ نیازی به اینترنت یا ارتباط دوطرفه وجود ندارد؛ تنها یک گیرنده‌ی ساده کافی‌ست، و همچنین فکر نمیکنم لازم به ذکر باشد که می‌تواند تعداد نامحدودی کاربر را به‌صورت هم‌زمان سرویس دهی کند.
از آن‌جایی که ایستگاه‌های تلویزیونی با توان بسیار بالا کار می‌کنند و در سطح زمین مستقر هستند، سیگنال‌هایشان بسیار قوی‌تر از GPS هستند و عملاً در برابر تداخل و اسپوفینگ مقاوم‌اند، برخلاف سیگنال‌های ماهواره‌ای که ضعیف و آسیب‌پذیرند. همچنین، بر خلاف GPS که در اختیار کاربر عادی تنها یک فرکانس دارد، BPS از طریق ۳۵ کانال ۶ مگاهرتزی و در بازه‌ای به‌وسعت ۲۱۰ مگاهرتز کار می‌کند که همین تنوع فرکانسی، جم کردن آن را بسیار دشوار می‌سازد ولی خوب هیچ چیزی غیر ممکن نیست.
BPS کاملاً مستقل از GPS عمل می‌کند و به منابع زمانی دقیق مبتنی بر ساعت‌های اتمی متکی‌ست که مورد تأیید دولت‌ها هستند. این سیستم از قابلیت‌های دیتاکستینگ (datacasting) و QoS در ATSC 3.0 بهره می‌برد.
در این ساختار:
Bootstrap به‌عنوان نشانگر زمانی عمل می‌کند،
و Preamble حاوی برچسب زمانی (timestamp) است. هر دوی این اجزای سیگنال، بسیار مقاوم‌اند و حتی وقتی سیگنال ۱۲ یا ۹ دسی‌بل زیر سطح نویز باشد، قابل تشخیص هستند. دیگر اجزای BPS هم در کانال‌های لایه فیزیکی (PLP) مقاوم ارسال می‌شن که حاوی موقعیت دقیق آنتن فرستنده تلویزیونی هستند و از این اطلاعات برای محاسبه زمان رسیدن سیگنال به گیرنده استفاده می‌شود.
سیگنال BPS بسیار بهینه است و تنها بخش کوچکی از پهنای باند ATSC 3.0 را مصرف می‌کند. بنابراین، ایستگاه‌های تلویزیونی می‌توانند هم‌زمان با ارسال BPS، پخش برنامه‌های ویدئویی با کیفیت بسیار بالا و سایر داده‌ها را بدون افت کیفیت ادامه دهند.
در قدم اول، ماموریت اصلی BPS فراهم کردن زمان دقیق در مکان‌های شناخته‌شده و زیرساخت‌های حیاتی مانند نیروگاه‌ها، دکل‌های مخابراتی، دیتاسنترها و بورس‌ها خواهد بود. چون موقعیت این مکان‌ها از قبل معلوم است، دریافت تنها یک سیگنال از یک ایستگاه BPS برای تأمین زمان دقیق کافی‌ست. با این حال، دریافت سیگنال از چند ایستگاه، قابلیت redundancy را فراهم می‌کند. و با گسترش تدریجی BPS، سیگنال‌های چند ایستگاه تلویزیونی می‌توانند برای تعیین مستقل موقعیت کاربر هم استفاده شوند، درست مانند کاری که GPS امروز انجام می‌دهد.
ایستگاه‌های تلویزیونی مجهز به BPS، سیگنال‌های ایستگاه‌های همسایه را پایش می‌کنند و نتایج این اندازه‌گیری‌ها را به‌صورت داده‌های BPS پخش می‌کنند. این قابلیت، امکان راستی‌آزمایی صحت سیگنال‌ها در سمت گیرنده را فراهم می‌سازد. علاوه بر این، ایستگاه‌های BPS می‌توانند اطلاعات زمانی را از ایستگاه‌های همسایه به‌عنوان پشتیبان دریافت کنند.
این ویژگی، در صورت پیاده‌سازی کامل ATSC 3.0 و BPS، این سامانه را به یک شبکه سراسری، مستقل از GPS و خودهمگام (self-synchronizing) تبدیل خواهد کرد. از آنجا که BPS کاملاً مستقل از GPS عمل می‌کند، می‌توان این دو سامانه را با یکدیگر ترکیب کرد. در این حالت، کاربران می‌توانند سیگنال‌های GPS و BPS را با هم مقایسه کنند و در صورت وجود هرگونه اختلال، تضعیف عمدی یا اسپوفینگ در GPS، آن را تشخیص دهند. حتی در حالتی که GPS به‌صورت عادی و بدون مشکل عمل می‌کند، BPS می‌تواند به‌عنوان مکمل GPS عمل کرده و موجب افزایش دقت در هر دو حوزه زمان و موقعیت شود.
خب، هیچ‌چیزی از همون اول به‌صورت کامل کار نمی‌کنه. باید یه نمونه اولیه ساخته می‌شد تا بفهمن این ایده واقعاً شدنیه یا نه. برای این نمونه اولیه، از تجهیزاتی استفاده کردن که قبلاً هم وجود داشتن،
مثل:
یک گیرنده RF از شرکت Avateq (مدل AVQ1022)
درگاه پخش دیجیتال از Triveni Digital
این سیستم‌ها رو کمی دست‌کاری و تقویت کردن تا بتونن اطلاعات زمانی خاص رو از سیگنال تلویزیونی بخونن، پردازش کنن و به‌صورت دقیق اندازه‌گیری کنن. با همین ترکیب ساده، اولین نمونه‌ی BPS به دنیا اومد. برای شروع تست، سه ایستگاه انتخاب شدن:
📍 WHUT در واشنگتن دی‌سی – ایستگاه پایه و مرجع
📍 WNUV در بالتیمور – ایستگاه همگام‌شده
📍 KWGN در دنور کلرادو – ایستگاهی برای آزمون دقت زمانی نسبت به مرجع GNSS
WHUT نقش قلب سیستم رو داشت. بهش یه ساعت اتمی سزیم متصل کردن تا از نظر زمانی کاملاً دقیق و مستقل باشه. WNUV با WHUT همگام بود و داده‌ها رو به‌صورت هماهنگ پخش می‌کرد. KWGN هم در فاصله‌ی دورتر قرار داشت و برای مقایسه‌ی سیگنال‌ها و بررسی دقت BPS نسبت به ساعت رسمی UTC(NIST) به کار رفت.
حالا وقتش بود ببینن BPS واقعاً چه دقتی داره. در آزمایش‌هایی که بیش از ۳ هفته به‌طول انجامید، سیگنال‌های BPS از ایستگاه‌ها دریافت و با مرجع‌های زمانی مثل ساعت‌های GNSS و ساعت اتمی NIST مقایسه شد.
نتیجه‌ها واقعاً امیدوارکننده بودن:
نوسان زمانی کمتر از ۱۰ نانوثانیه
پایداری بلندمدت در اندازه‌گیری زمان
قابلیت دریافت سیگنال حتی وقتی سیگنال تصویری تلویزیون قابل‌دریافت نبود!
و در برخی حالت‌ها، حتی عملکردی دقیق‌تر از GPS تک‌بانده
منابع
نویسنده شو !
سیسوگ با افتخار فضایی برای اشتراک گذاری دانش شماست. برای ما مقاله بنویسید.