Table of Contents
Что случилось
Последние месяцы заставили во многом переосмыслить все происходящее в мире, причем колебания затронули сами основы представлений о возможном. Фундаментальный сдвиг оценок произошел в силу одного простого факта: вещи, которые считались невероятными, стали происходить с завидной регулярностью. После того, как, не выбравшись из череды кризисов, мировое сообщество последовательно принимает решения, которые ведут исключительно к их усугублению, больше нельзя оставаться уверенным в том, что казавшееся бессмысленным и невозможным не станет суровой реальностью. Так что когда глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин заявил, что в Белом доме рассматривают возможность отключения GPS в России, к его словам пришлось отнестись с достаточной серьезностью вместо того, чтобы просто назвать это трудноосуществимым бредом, ведь США не извлечет из подобного шага никакой пользы, а Россия не останется без спутниковой навигации.
Хотя с момента высказывания Дмитрия Рогозина прошло уже больше месяца, актуальности его слова не потеряли, их продолжают обсуждать, делясь совершенно дикими представлениями о том, что может произойти. Прогнозы делаются самые разные — от ура-патриотических, где США едва ли сами не окажутся без навигации, тогда как у нас все будет хорошо, до того, что нам выключат всю навигацию и ориентироваться в пространстве придется по бумажным картам. А если кто не умеет пользоваться штурманской линейкой и секстантом, он непременно погибнет в тайге, где нет асфальта, дорог, а над головами только черные вороны кружат. Истина, как водится, где-то посредине, и мы попробуем ее обрисовать. Разумеется, точного ответа на вопрос, что и как случится в ближайшем будущем, никто не даст, но понять, что в принципе возможно, не так и сложно. Достаточно внимательно посмотреть на то, что собой представляют современные глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС).
Как работают ГНСС
На данный момент в мире действуют четыре разных ГНСС: американская GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская «Бейдоу». В основе они одинаковы и базируются на возможности вычислить местоположение любой точки на поверхности Земли, если провести триангуляцию, задействовав несколько спутников на ее орбите. Однако в деталях эти системы очень сильно различаются, поскольку их проектирование и научное обоснование осуществлялись в разное время и с разной целью. GPS и ГЛОНАСС создавались как системы именно глобального позиционирования в военных целях, Galileo — как средство транспортной навигации для Европы, а китайская «Бейдоу», вообще изначально не мировая, а локальная, должна была решать проблему геопозиционирования в пределах КНР. Если добавить, что GPS и ГЛОНАСС разработаны во времена Холодной войны, то станет понятно, что, кроме физических принципов, у всех этих ГНСС общего не так уж много.
Источник: wikipedia.org
Все они состоят из трех сегментов: космического, наземного и потребительского. Космический сегмент — это спутники, которые должны передавать три сигнала: точного времени, дальномерный код и эфемериды. Первые два нужны для расчета расстояния до спутника, а третий указывает информацию о координатах и элементах движения спутника по орбите. Поскольку ни сам спутник, ни пользовательское устройство не способны справиться с задачей вычисления точных сведений о местоположении и элементах движения, то требуется наземный контрольно-измерительный комплекс, который будет вычислять эти данные. Это не наземные станции ГНСС, которые являются лишь дополнительными средствами приема-передачи информации, а полноценные вычислительные центры, которых не так много и которые не обязательно размещать по всему миру.
Основная проблема подобных вычислений заключается в том, что несмотря на то, что математический аппарат для предсказания того, как должны вести себя орбитальные объекты, сформирован очень давно, в реальности искусственные спутники Земли ведут себя не совсем так. Причина проста — форма геоида настолько сложная, что мы до сих пор не имеем его строгого описания в виде формул, поэтому вынуждены пользоваться математическими моделями, созданными с определенным уровнем допущений. К тому же наши спутники тоже далеки от идеальных космических объектов, их орбиты испытывают влияние гравитационных сил Солнца, Луны, солнечной радиации, летят не в открытом космосе, а все еще в пределах атмосферы Земли (пусть и очень-очень разреженной) и т.д. В общем, точно предсказать эфемериды на все время полета навигационного спутника мы не можем, поэтому вынуждены в эту информацию вносить постоянные корректировки. Разные ГНСС это делают с разной периодичностью, но в целом такая информация обновляется 1-2 раза в сутки.
Для того, чтобы вычисления были как можно более точными, нужны те самые наземные станции, которые будут собирать данные о траектории полета спутника. Чем больше таких станций, тем длительнее время наблюдения за полетом конкретного спутника, тем больше сведений и тем точнее вычисления. В середине 2000-х годов уже имел место конфликт между Россией и США, когда американцы отказали в размещении на своей территории станций ГЛОНАСС, а в ответ Россия угрожала отключить размещенные в 1990-е годы наземные станции GPS. В 2014 году станции все же были отключены, так что вот уже 8 лет как GPS в России работает без них, а ГЛОНАСС продолжает обходиться вообще всего 12 зарубежными наземными станциями, большая часть которых расположены в пределах бывшего СССР.
Конкретно для мобильных телефонов давно существует и хорошо отработана система LBS, которая повышает точность навигации, используя данные о местоположении, передаваемые другими устройствами, чье местоположение хорошо известно и не меняется. Это базовые станции мобильной связи, ретрансляторы, сетевые устройства. Передаваемые ими сигналы обрабатываются по тем же принципам, что и сигнал спутника, позволяя проводить триангуляцию быстрее и точнее в условиях, когда спутниковый сигнал страдает от помех. Разумеется, эта система работает лучше всего и полезнее всего в городах, где помех для спутникового сигнала много, но и устройств, которые передают данные о своем местоположении, также больше всего.
Еще одним узким местом любой спутниковой навигационной системы будет выступать сам факт движения спутника по орбите. Чем ниже над горизонтом будет находиться спутник, тем менее достоверными будут его данные для определения координат. Можно создать систему исключительно на геостационарных космических аппаратах, которые будут висеть всегда под одним углом к горизонту, но такой вариант потребует их огромного количества для глобальной навигации, а также окажется очень уязвимым для потери аппаратов.
Как видим, проблем у спутниковой навигации много, но конечный пользователь от них не страдает. Они успешно решаются, системы работают, несмотря на политические разногласия. Это и порождает массу мифов о том, что кто-то может принять решение и отключить навигацию. Представления обывателя зиждутся на предположении, что существует некая система взаимных договоренностей, которые обеспечивают работу. В реальности разногласия существовали всегда, и все системы разрабатывались так, чтобы быть альтернативой друг другу, а не поддерживать друг друга. Иллюзия совместной работы порождена навигационным чипом в пользовательском устройстве, которое действительно может получать сведения о своем местоположении от всех навигационных систем и не только от них. Нетрудно догадаться, что отключение одной из них возможно только непосредственно на устройстве, а надежной гарантией будет физическое изъятие систем декодирования спутникового сигнала. На этом можно было бы и закончить, но давайте перейдем к детальному сравнению четырех ГНСС, чтобы понять, чем они отличаются и что мы потеряем, если по какой-то причине на наших пользовательских устройствах исчезнет одна из них.
Особенности систем
GPS
Самой старой и самой развитой остается американская система NAVSTAR GPS. Изначально она создавалась исключительно в военных целях и должна была обеспечить вооруженным силам США точную навигацию во всех районах Земли. В дальнейшем из-за финансовых аспектов система то сокращалась, то разрасталась, приобретала задачи, выходящие за пределы обеспечения навигации, но до 2000 года она оставалась практически полностью военной. Принцип вычисления координат основан на определении местоположения путем измерения времени приема синхронизированного сигнала от спутника. Система рассчитана на вычисление координат на земной поверхности за исключением приполярных областей. На данный момент в ее составе имеется 32 геосинхронных спутника, вращающихся по 6 орбитальным плоскостям. Для обеспечения глобального позиционирования достаточно 24 спутников, но для повышения точности было принято решение об увеличении их количества до 48. Система ведет передачу на открытых частотах, но военным доступен также кодированный сигнал, который защищен от помех и криптовзлома. Также предполагается, что военный сигнал может быть узконаправленным, что повысит его мощность на ограниченной территории. И напротив, с 2014 года имеется возможность давать более широкий и мощный сигнал, который используется в интересах служб спасения.
ГЛОНАСС
Российская система ГЛОНАСС была создана еще во времена СССР и первоначально должна была решать вопросы навигации в интересах военно-морского флота. Особенности ее развертывания повлияли на выбор углов наклона орбитальных плоскостей спутников, а особенности советского военного подхода и материальная база позднего СССР продиктовали выбор не геосинхронных, а нерезонансных орбит. Если спутники Navstar периодически требуют корректировки орбиты, то ЭРА-ГЛОНАСС в течение всей своей активной жизни летают без корректировок. Это повышает надежность самой группировки, но неблагоприятно сказывается на стабильности получения сигналов в любое время в любом месте. Также спутники ГЛОНАСС располагаются на трех орбитальных плоскостях, хотя для глобального позиционирования их также требуется минимум 24. Все перечисленные особенности ГЛОНАСС и GPS в свое время сыграли важную роль. К началу 2000-х российская группировка спутников практически перестала существовать, но интенсификация освоения Севера показала, что GPS не обладает нужной точностью работы в приполярных областях, ГЛОНАСС именно в этом аспекте выглядит предпочтительнее. В результате отечественная система получила вторую жизнь. На данный момент на орбите находятся 23 работающих спутника (для обеспечения навигации в пределах РФ достаточно 18), большая часть из которых давно вышла за пределы гарантийного срока эксплуатации, но замена производится лишь по мере фактического выхода спутников из строя.
Galileo
Европейская навигационная система Galileo изначально была невоенным коммерческим проектом Евросоюза и Европейского космического агентства, который разрабатывался в рамках решения задач транспортной навигации для стран ЕС и их торговых партнеров. В результате в числе участников проекта отметились совсем не европейские КНР и Южная Корея. Также как и российская ГЛОНАСС, эта система создавалась для обеспечения большей точности навигации в районе Полярного круга в сравнении с GPS. Кроме того, изначально планировалось достигнуть более высокого качества покрытия в плотной городской застройке за счет большего числа спутников, однако к настоящему моменту ситуация исправляется благодаря использованию сигнала GPS, а число спутников так и не достигло запланированного количества. Также для Galileo был выбран вариант с тремя орбитальными плоскостями по 8 спутников на орбите. Предполагалось, что помимо 8 рабочих спутников будет еще по 2 резервных на каждой, однако фактически система продолжает страдать от технических сбоев, а на орбите присутствует всего 25 спутников, из которых три уже исчерпали гарантийный срок работы. Отдельно стоит упомянуть, что как коммерческая система Galileo изначально имеет несколько режимов, которые не являются общедоступными, в том числе режим для коммерческих потребителей за отдельную плату и «правительственный сервис», который доступен для силовых структур с ограничением доступа и защитой от взлома.
«Бейдоу»
Китайская «Бейдоу» выросла из регионального проекта, который изначально создавался для решения вопросов геодезии в пределах КНР. Важный момент, проект был локальным, и навигационная составляющая первоначально не была основной. А средства у Китая на момент старта были весьма ограниченными. Соответственно, выбор решения был продиктован иными принципами, что предопределило не самый рациональный для глобальной системы позиционирования подход — использование геостационарных спутников. Идея «Бейдоу» заключается в том, что двух спутников уже достаточно для определения координат пользовательского терминала. Третьей точкой служит центр масс Земли, положение которого в этой системе никогда не меняется. На начальном этапе выгода очевидна: минимальные требования GPS, ГЛОНАСС и Galileo для получения достоверных данных о местоположении — четыре спутника в положении, близком к зениту. Оптимально — не менее 8 спутников в зоне видимости. «Бейдоу» достаточно уже двух, причем их положение фактически также никогда не будет меняться для пользовательских устройств, находящихся в Китае. Проблема в том, что для получения глобальной сети спутников для геолокации с высокой точностью требуется огромное количество космических аппаратов. Сейчас в составе группировки уже 48 спутников, но она все еще не гарантирует покрытия всей поверхности Земли. Причем система максимально сложная. В составе группировки имеются геосинхронные и геостационарные спутники, которые располагаются на разных орбитах, плюс в самой системе максимально большой резерв спутников, поскольку, как было сказано, такой подход максимально уязвим к потерям космических аппаратов. Также у КНР самая большая сеть наземных станций, на порядок превышающая все, что используется в других системах. Как итог — «Бейдоу» отлично работает в Китае и у его границ, но на глобальном уровне это не самая надежная система.
Что можно отключить
Так что же могут отключить американцы? Для начала можно сразу сказать, что США никоим образом не может вмешаться в работу ГЛОНАСС и «Бейдоу», если только не начнут выводить из строя космические аппараты этих систем. Следующим этапом Россия и КНР начнут сбивать американские спутники, и мы получим первую космическую войну в истории человечества. Не думаю, что такой вариант в Вашингтоне вообще обсуждался в большем масштабе, чем наличие принципиальной возможности сбить спутник. Система Galileo в настоящий момент полностью зависима от передачи данных от спутников системы GPS, так что тут можно утверждать, что принципиально пойти на разрыв с американцами европейцы никак не смогут. Другое дело, что технически Galileo и GPS — разные системы и не все решения, применимые для одной, могут быть реализованы в другой.
Причем будь вопрос исключительно в европейском ведении, отлучить российских пользователей от спутниковой навигации было бы сравнительно просто. Достаточно было бы все сигналы перевести в один из вариантов с ограниченным доступом, предоставив ключи шифрования всем за пределами РФ и не предоставив их устройствам, зарегистрированным в РФ. Это был бы колоссальный удар по бизнесу, но технически сравнительно просто реализуемый. Выключаем Open Service, аннулируем лицензии PRS, SAR и коммерческие для России, и Galileo в РФ перестает работать. Заодно будут проблемы у тех, кто не имеет устройств, принимающих сигнал в диапазоне Е6, а обладатели коммерческой лицензии окажутся уравнены с простыми пользователями, но чего не сделаешь ради санкций.
С GPS ситуация сложнее. Если до 2000 года существовал специальный режим понижения точности для гражданских пользователей, то с 2007 года методы искусственного загрубления данных навигационной системы отсутствуют на физическом уровне. Т.е. просто так включить режим передачи ложных координат уже не получится. Потребуется как минимум время на то, чтобы разработать алгоритмы и распространить протоколы, которые будут позволять осуществить или загрубление, или сдвиг. Вторая проблема заключается в том, что не все спутники Navstar обладают способностями передавать новейшие кодированные сигналы, что исключает возможность, подобно системе Galileo, просто транслировать над РФ сигнал, который не смогут принимать локальные устройства. GPS никогда не была коммерческой системой, поэтому в ней просто не предусмотрен разный уровень доступа иначе как за счет установки разных приемников. Учитывая, что военного образца приемники поставлялись весьма ограниченно, даже союзники США по военным блокам не обладают ими в нужном количестве. Не говоря уж о том, что переход на чисто военные режимы работы группировки спутников вызовет настоящий транспортный коллапс. Воздушное и морское движение просто остановится. Издержки огромные — результат сомнителен.
Совсем бесперспективной выглядит самая тиражируемая идея отключать сигнал спутников, пока они летят над территорией РФ. США приложили огромные усилия к тому, чтобы в любой момент из любой точки земного шара (за исключением территорий за Полярным кругом) были видны минимум 6 спутников. Для европейской территории РФ этот показатель около 10. При этом нужно понимать, что спутники, находящиеся низко над горизонтом, обычно не используются по причине избыточности данных. Если начать выключать спутники над РФ, то устройства автоматически начнут брать информацию с них. Да, это будет медленнее, точность начнет сокращаться, но не упадет до цифр, неприемлемых для ориентации в пространстве. Дополнительные данные от ГЛОНАСС, «Бейдоу» и иных средств геолокации вполне смогут компенсировать возможное отключение спутников Navstar, пролетающих непосредственно над Россией, вычислительной мощности современных смартфонов будет достаточно, чтобы продолжать как минимум в городах верно позиционировать пользователей.
Отключить же все спутники, которые видны из России, можно, но это будет означать крах GPS как точной системы позиционирования. Появятся регионы, где попросту не будет достаточного числа спутников в зоне видимости. И пострадавшими от такого выключения окажутся в первую очередь американские военные, располагающие массой старых систем, которые в принципе не способны принимать сигналы от чего-то, кроме GPS. К примеру, именно такая проблема возникнет у 90% палубной авиации ВМС США. Вряд ли в Пентагоне будут рады узнать, что для навигации их пилотам потребуются китайские планшеты или бумажные карты, чтобы просто совершать вылеты. Кроме того, если предположить, что все это будет затеваться ради создания проблем в зоне проведения специальной военной операции на Украине, то предположение становится и вовсе абсурдным. Отключить GPS в европейской части России и не отключить его на Украине не получится без смены орбит спутников. А это означает, что американцам нужна будет принципиально иная ГНСС.
Возможные перспективы
Означает ли все вышесказанное, что GPS продолжит работать в России? В краткосрочной и среднесрочной перспективе ответ — да. Быстро отключить именно GPS не получится. С определенными издержками и приложив массу усилий для модификации системы это можно сделать, но без значительного эффекта. Закодировать сигнал GPS и Galileo таким образом, чтобы пользователи в РФ получали его в недоступном для чтения виде, можно. Но на пользовании навигацией прямо сейчас это не скажется, поскольку есть ГЛОНАСС и «Бейдоу». Хуже будет, если сигнал будет идти умышленно искаженным, тогда устройства станут тратить много времени на отсеивание недостоверных данных и проводить корректировку. Купируется это исправлением прошивки, но тут уже вопрос к разработчикам, не все они захотят выпускать отдельные прошивки для РФ, где прием GPS будет полностью отключен.
В долгосрочной же перспективе наиболее реалистичным выглядит вариант, при котором в РФ просто не будут поставляться устройства, в чипсеты которых включены блоки, отвечающие за прием и дешифровку данных от европейской и американской ГНСС. Это будет действительным отключением GPS в России. Вот только минимальный срок реализации такого решения — не менее 2-3 лет, которые уйдут на разработку новых навигационных модулей.
Также вполне реалистичным выглядит вариант, при котором производителям устройств навяжут необходимость вносить исправления в прошивки устройств, поставляемых на рынок РФ. В таком случае спутниковая навигация также окажется отключена, но надежность подобной блокировки будет совершенно призрачной. Нетрудно догадаться, что в течение недели-двух станут появляться кастомные неофициальные прошивки, призванные возвращать навигацию обратно. Таким образом, получится не отключить GPS, а озолотить взломщиков и салоны сотовой связи, которые начнут предлагать установку неоригинальных прошивок. Как подобные блокировки работают, можно было посмотреть в Крыму, где существует уже отлаженный бизнес, возвращающий работу Google Play и других GMS-сервисов, несмотря на санкции.
Фактически получается, что решение об отключении GPS в любом виде в США принять могут. И могут даже претворить его в жизнь, но в ближайший год-два совершенно точно не получится создать серьезные проблемы для рядовых пользователей, а также лишить доступа к навигационным данным профессионалов, которым они требуются для работы (например, для геодезии данных ГНСС в принципе недостаточно). В долгосрочной перспективе ситуация может измениться в более негативном ключе, однако при условии поддержания ГЛОНАСС в работоспособном состоянии и заключении прочных договоров с китайской стороной, обеспечивающей доступ к «Бейдоу», российские пользователи вряд ли заметят навигационные санкции.