eLoran: Частичное решение уязвимости GNSS

Вопросы, связанные с использованием ГНСС, серьезно изучаются в разных частях мира. Сегодня мы предлагаем вам перевод статьи «eLoran: Part of the solution to GNSS vulnerability», опубликованной на днях на портале GPS World. Автор статьи — Маттео Луччо, имеющий 20-летний опыт работы в качестве писателя и редактора журналов по GNSS и геопространственным технологиям.

Об авторе:

Маттео Луччо начал свою карьеру в отрасли 25 лет назад. Его технические статьи публиковались более чем в 20 профессиональных журналах, включая Professional Surveyor Magazine, Apogeo Spatial и xyHt. Луччо имеет степень магистра политологии Массачусетского технологического института. Он является соучредителем журнала о государственной политике Oregon’s Future, который редактировал в течение четырех лет. В течение последних 20 лет Луччо редактировал и писал статьи для технических журналов по геопространственным технологиям, в качестве управляющего редактора GPS World и Galileo’s World, редактора и издателя журнала GPS User Magazine, редактора журнала Earth Observation, редактора еженедельного онлайн-журнала GIS Monitor. Луччо также является обозревателем журнала Professional Surveyor Magazine, автором статей для Apogeo Spatial и xyHt, а также специальным корреспондентом Sensors and Systems. Он — автор статей в ArcNews, ArcWatch, GeoWorld, GIM International и GEO Informatics и в ряде других изданий.

Противоположные и дополняющие

Несмотря на то, что GNSS прекрасна, она и очень уязвима. eLoran, не имеющий общих с GNSS режимов отказов, в кризисной ситуации способен обеспечить непрерывность исключительно важных услуг в отношении времени и навигации.

GPS соответствует известному третьему закону Артура Кларка: «Любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии». Тем не менее, у GPS также есть несколько хорошо известных уязвимостей, включая непреднамеренные и преднамеренные радиочастотные помехи (последнее известно как глушение), спуфинг, солнечные вспышки, случайное разрушение спутников космическим мусором и их преднамеренное разрушение в ходе войны, системные аномалии и сбои, а также проблемы с запусками спутников и наземным оборудованием.

За последние два десятилетия об этих уязвимостях было написано множество сообщений, прозвучали призывы финансировать и развивать дополнительные системы позиционирования, навигации и времени (PNT). В последние годы, когда огромные секторы нашей экономики и многие из наших повседневных дел стали зависеть от GNSS, эти призывы усилились.

Ключевым компонентом любой дополнительной PNT на всем континенте будет низкочастотная, очень мощная наземная система, поскольку она не имеет общих режимов отказов с GNSS, а именно: высокочастотные, очень маломощные и базирующиеся в космосе. Такая система в принципе уже существует: это Loran, который был международным золотым стандартом PNT в течение почти 50 лет до того, как в 1995 году начала работать GPS. На тот момент планировалось, что использование Loran-C завершится в конце 2000 года.

Однако начиная с 1997 года, Конгресс выделил более 160 миллионов долларов на преобразование американской части североамериканского сервиса Loran-C в улучшенный Loran (enhanced Loran — «eLoran»). В 2010 году, когда в США обслуживание Loran-C  завершилось, ее модернизированный преемник был почти полностью построен в континентальной части США и на Аляске. В течение следующих пяти лет Канада, Япония и европейские страны последовали примеру США и завершили свои программы Loran-C.

Однако сегодня eLoran является одной из нескольких систем PNT, предлагаемых для GPS в качестве резервной.

«Закон по обеспечению помехозащищенности и безопасности работы Национальной системы позиционирования, навигации и времени» от 2018 года требует, чтобы министр транспорта США (DOT) «обеспечил создание, поддержание и эксплуатацию наземной, устойчивой и надежной альтернативной системы хронометража» в качестве резервной копии для GPS. В январе 2020 года DOT заключило контракты с 11 компаниями, чтобы продемонстрировать способность их технологий действовать в качестве резервной копии для GPS. Две из этих компаний работали над проектами eLoran.

Технические советники федерального исполнительного комитета PNT в течение последних 11 лет выступали за внедрение eLoran и рекомендовали это сделать правительству. Тем не менее, хотя правительство США объявило в 2008 году и снова в 2015 году о своем намерении создать систему eLoran, оно этого еще не сделало .

Это не Лоран твоего дедушки

В 1980-х годах я использовал Loran-C для навигации в морских путешествиях у восточного побережья США. Он имел точность в несколько сотен футов и требовал понимания синих, пурпурных, черных и зеленых линий, нанесенных на навигационные карты. Эта система была модернизированной в 1958 году версией радионавигационной системы, впервые развернутой для американских корабельных конвоев, пересекавших Атлантику во время Второй мировой войны. Его способность возвращаться в отмеченную точку была выше, чем его точность: ловцы омаров могли полагаться на него, чтобы вернуться в те же места, где они ранее им сопутствовала удача, хотя они могли иметь некоторое отклонение от фактических широты и долготы.

Напротив, eLoran имеет точность до 20 метров, а во многих случаях до 10 метров. Он был разработан правительствами США и Великобритании в сотрудничестве с различными отраслевыми и научными группами для обеспечения покрытия на очень широких территориях с использованием части радиочастотного спектра, защита которой обеспечивалась повсеместно. В отличие от GNSS, eLoran может до некоторой степени проникать в помещения, под очень толстые навесы, под воду и под землю, и ему исключительно сложно создать помехи, а также заблокировать его или обмануть.

В отличие от Loran-C, eLoran синхронизируется с Всемирным скоординированным временем (UTC) и включает один или несколько каналов данных для передачи сообщений с низкой скоростью, дополнительной целостностью, дифференциальными поправками, навигационными сообщениями и другими типами коммуникаций. Кроме того, современные приемники Loran позволяют пользователям смешивать и согласовывать сигналы от всех передатчиков eLoran и спутников GNSS, находящихся в поле зрения.

Наконец, eLoran можно использовать для мониторинга целостности GPS — и наоборот. «Подумайте о триаде отказоустойчивости, состоящей из GNSS (глобальная), eLoran (континентальная) и инерциальной единицы измерения, точных часов или оптоволоконного соединения», — сказал Чарльз А. Шу, генеральный директор UrsaNav. «Чрезвычайно сложно заблокировать или подделать все три источника одновременно, в одном направлении и в одинаковой степени».

Для системы eLoran, покрывающей прилегающие территории Соединенных Штатов, обеспечивать перекрывающееся временное покрытие могут от четырех до шести пунктов передачи, а 18 пунктов передачи могут обеспечивать перекрывающееся позиционирование и навигацию.

Разработки в США

Закон об инвестициях в Америку выделяет Министерству внутренней безопасности США 157 миллионов долларов на проведение исследований в пяти отдельных областях, одна из которых — определение местоположения, навигация и отказоустойчивость во времени; однако даже часть из этих денег не предназначена для eLoran как такового. Регулярные ассигнования DOT на следующий год включают 17 миллионов долларов на исследования, связанные с PNT, из которых 10 миллионов долларов идут на «Резервное копирование GPS / дополнительные исследования технологий PNT». Однако ни один из этих законопроектов еще не доработан, не говоря уже о принятии закона, поэтому они могут измениться.

«Это очень сложные системы с циклами продаж от пяти до семи лет, — отметил Шу, — а сейчас этот процесс идет еще медленнее из-за пандемии. При адекватном финансировании сигналы eLoran могут начать становиться доступными в континентальных Соединенных Штатах в течение года после подписания контракта на обслуживание. Следует напомнить, что GPS — как и вся GNSS — вводился в эксплуатацию постепенно по мере разработки и запуска спутников в космос. Не следует ожидать, что какая-либо другая общенациональная система будет доступна одним щелчком мыши, а не путем постепенного внедрения».

Международные разработки

Loran-C и eLoran работают на международном уровне. Саудовская Аравия, Китай и Россия продолжают эксплуатировать системы Loran-C или Chayka. В октябре 2020 года одна из китайских газет описала, как нация расширяет Лоран на запад, чтобы покрыть всю страну, чтобы защитить себя от сбоев в космических услугах. Ранее опубликованный отчет дал понять, что они обновляют или уже обновили Loran-C до eLoran. В Южной Корее существует текущий проект по обновлению Loran-C до eLoran. По словам Даны Говард, президента Resilient Navigation and Timing, похоже, что проект обеспечит возможность использования южнокорейской системы самостоятельно, даже если российские и китайские системы, с которыми она обычно взаимодействует, будут по какой-либо причине недоступны.

Соединенное Королевство по-прежнему придерживается eLoran и управляет одной станцией, которая использовалась в качестве альтернативы времени привязки к GNSS. «Однако, поскольку это единственная станция, которая все еще осуществляет передачу в этой части Европы, она бесполезна для определения местоположения», — сказал Нунцио Гамбейл, генеральный директор Locata Corporation. «К сожалению, закрытие ЕС их старых позиций Loran, похоже, было завершено, и ни одна из базирующихся в ЕС позиций Loran больше не работает. Их действия оставляют мало надежды на воскрешение Лорана в ближайшее время в Европе в качестве альтернативы позиционированию GNSS. Это позор, потому что eLoran обладает полезными характеристиками PNT, которые другим альтернативным технологиям будет трудно воспроизвести».

Слова в защиту

«В сообществе PNT существует довольно широкое согласие относительно того, что единственного решения [уязвимостей GPS] не существует», — сказал Шу. «Это должна быть система систем».

Сообщество PNT, по его словам, работает с Конгрессом и правительством, «чтобы продвигаться вперед с фактическими запросами предложений, чтобы начать процесс заключения контракта, вместо того, чтобы продолжать восхищаться проблемой». UrsaNav, NextNav, OPNT и другие компании и организации «работают совместно, насколько это возможно, чтобы сообщить федеральному правительству, что мы все верим в системный подход и что должно быть какое-то ощутимое движение вперед».

По мнению Шу, хотя министерство транспорта играет ведущую роль в обеспечении отказоустойчивости PNT, ему и министерствам обороны и национальной безопасности в этом вопросе необходимо сотрудничать. «Многие, если не все, другие министерства, такие как торговли, энергетики, Госдеп, внутренних дел и сельского хозяйства, также имеют заинтересованность».

GNSS останется, и для этого есть причина. «Если новая национальная наземная система PNT не продвинет игру на многих рынках вперед, то будет слишком просто оставаться с системой GNSS, которая принципиально бесплатна», — сказал Гамбейл. «С такой ценой действительно сложно конкурировать, если только вы не создаете новую значительную ценность для рынка».

Время действовать — сегодня. «Этот вопрос изучался до потери сознания более 20 лет», — сказал Говард. «Есть технологии, готовые к развертыванию. Пришло время действовать. Провал национального PNT будет катастрофическим».

Мнение автора может не совпадать с позицией МКАА «Безопасность полетов».

Материалы публикуются в том виде, в котором получены от автора – без какой-либо редакторской правки.

Для заставки использован рисунок с сайта naspi.org.