تمدن مدرن بدون GPS گم خواهد شد

هواپیماها، خودروها، کامیون‌ها، قطارها و کشتی‌ها برای داده‌های موقعیت مکانی به GPS وابسته‌اند و از طرفی سیگنال‌های زمان‌بندی GPS برای ارتباطات مخابراتی و تراکنش‌های مالی اهمیت بالایی دارند. بر اساس گزارشی در سال ۲۰۱۹ که تحت حمایت مؤسسه‌ی ملی استانداردها و فناوری منتشر شد، از بین رفتن GPS برای دولت ایالات متحده روزانه ۱ میلیارد دلار هزینه دارد و اگر  این فناوری در فصل کاشت کشاورزان (آوریل تا می) دچار قطعی یا اختلال شود، این هزینه به روزانه ۱٫۵ میلیارد دلار می‌رسد. به گفته‌ی آلان او کانر، اقتصاددان ارشد و رئیس بخش اقتصاد نوآوری مؤسسه‌ی پژوهشی بین‌المللی غیرانتفاعی RTI که گزارش ۲۰۱۹ را ارائه کرده بود:

موقعیت‌یابی، هدایت و سیگنال‌های زمان‌بندی برای بسیاری از سهام‌داران و کاربردهای مختلف که در این سیگنال‌ها دخالت دارند اهمیت بالایی دارد.

GPS و همتاهای GNSS آن (سیستم ماهواره‌ای هدایت سرتاسری شامل گالیله‌ی اروپا، GLONASS روسیه و Beidou چین) نقشی حیاتی در فعالیت‌های اقتصادی ایفا می‌کنند. سیستم NavIC هند و QZSS ژاپن هم در مناطق خود اهمیت بالایی دارند.

GPS قدیمی‌ترین و گسترده‌ترین سیستم موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی (PNT) است. بسیاری از شبکه‌های زیرساخت به گیرنده‌های GPS وابسته‌اند و گیرنده‌هایی با چند صورت فلکی ماهواره‌ای به پیوستگی و دقت GNSS کمک می‌کنند. از آنجا که گیرنده‌ها سیگنال‌ها را از هر ماهواره‌ی در دسترس GNSS دریافت می‌کنند، از نظر تئوری باید پیوستگی سرویس را در صورت از دست رفتن GPS حفظ کنند؛ اما از آنجا که گیرنده‌ها اساسا به GPS وابسته هستند مشخص نیست در صورت از دست رفتن آن چه رفتاری داشته باشند. به گفته‌ی دانا گوارد، رئیس بنیاد غیرانتفاعی زمان‌بندی و هدایت واکنش:

GPS در زندگی روزمره‌ی ما اهمیت زیادی دارد. اگر مدت قابل توجهی قطع شود، مطمئنم حتی به قیمت جان افراد تمام خواهد شد.

GPS در سال ۱۹۹۳ صورتی فلکی برای ارائه‌ی اطلاعات PNT سراسری ارائه کرد. روسیه، چین و اروپا هم این روند را دنبال کردند. کمیسیون اروپایی و آژانس فضایی اروپا تا سال ۲۰۲۲ صورت فلکی گالیله را تکمیل خواهند کرد.

تاکنون قطعی‌های GNSS کمتر از یک روز به طول انجامیده‌اند؛ اما احتمال وقوع وقفه‌های طولانی‌تر هم وجود دارد. گالیله در تاریخ ۱۴ دسامبر ۲۰۲۰ به مدت شش ساعت دچار خرابی سیستمی شد و در جولای‌ ۲۰۱۹ به مدت یک هفته قطع بود. GLONASS در سال ۲۰۱۴ دچار خرابی شد. در این زمان ماهواره‌های GLONASS به مدت ۱۱ ساعت اطلاعات نادرست مخابره کردند.

قطع شدن ماهواره‌های GNSS متداول است و سیستم‌ها معمولا دچار اختلال و جعل می‌شوند. در سال ۲۰۱۶ پس از منسوخ شدن ماهواره‌های قدیمی، تجهیزات زمان‌بندی وابسته به GPS مختل شد. تنها اختلافی ۱۳ میلی‌ثانیه‌ای بر تجهیزات ارتباطاتی اورژانسی و پلیس در بخش‌هایی از آمریکای شمالی تأثیر گذاشت و باعث ناهنجاری در شبکه‌ی نیرو شد.

یکی از دلایل اهمیت خطاهای GNSS، عنصر زمان‌بندی است. ماهواره‌های GNSS برای همگام‌سازی سیگنال به ساعت‌های اتمی وابسته‌اند که به کاربران اجازه می‌دهند دقت زمان‌بندی را به نانوثانیه برسانند؛ در نتیجه بانک‌ها برای گزارش زمان‌بندی دقیق تراکنش‌های مالی به GPS وابسته‌اند و برج‌های مخابراتی از آن برای همگام‌سازی گره‌های شبکه استفاده می‌کنند. به گفته‌ی یان آنت، مدیر جانشین آژانس فضایی بریتانیا:

بریتانیا به‌شدت به GNSS وابسته است. این گیرنده‌ها بخشی جدانشدنی از امنیت و موفقیت بریتانیا در آن سوی مرزها و زمینه‌های جهانی هستند.

تمام موارد فوق برای ایالات متحده هم صدق می‌کنند. اگر GPS قطع شود، امکان پیش‌بینی توالی دقیقی از رویدادها وجود نخواهد داشت. به گفته‌ی گوارد:

حمل و نقل و اولین پاسخ‌دهنده‌ها بلافاصله از قطع شدن GPS آسیب می‌بینند. احتمالا وقوع تصادف هم وجود دارد. تلفن‌های همراه و اینترنت ضعیف می‌شوند؛ اما به‌سختی می‌توان گفت این کاهش کیفیت تا چه اندازه و با چه سرعتی رخ می‌دهد.

دنیاگیری کووید ۱۹ ایالات متحده را بیش از گذشته به زیرساخت ارتباطات راه دور وابسته کرد. به گفته‌ی اوکانر:

زیرساخت نقش مهمی در اقتصاد ما ایفا می‌کند؛ اما بسیاری از افراد از اتصال بین GPS، موقعیت‌یابی پایدار، سیگنال‌های هدایت و زمان‌بندی و اپلیکیشن‌ها و ابزارهای روزمره ناآگاه‌اند.

بررسی مشترک Innovate UK، سازمان فضایی بریتانیا و مؤسسه‌ی ناوبری و کنترل در سال ۲۰۱۷، نشان می‌دهد اختلال پنج‌روزه در GNSS تا سقف ۵٫۲ میلیارد پوند (۷٫۲ میلیارد دلار) به جاده‌ها، زیردریایی‌ها و خدمات فوریتی خسارت وارد می‌کند که ۸۸ درصد هزینه‌ها را تشکیل می‌دهد. گوارد می‌گوید هزینه‌ی این خسارت در سال ۲۰۲۱ به دلیل فراگیر شدن داده‌های موقعیتی به شکل چشمگیری افزایش یافته است. سازمان فضایی اروپا پژوهشی به‌روزشده برای اندازه‌گیری آثار اقتصادی بالقوه صادر کرده است. دهه‌ی گذشته با ظهور گوشی‌ها و دستگاه‌های هوشمند و افزایش نفوذ اینترنت، شاهد افزایش ارزش GNSS بودیم. به گفته‌ی آنت:

سیستم‌های هدایت ماهواره‌ای هم برای رمزگشایی از فناوری‌های آینده مثل خودروهای خودران، شهرهای هوشمند و هوش مصنوعی حائز اهمیت هستند. این سیستم‌ها می‌توانند شیوه‌ی زندگی، کار و سفر مردم را متحول کنند.

سازمان فضایی بریتانیا به دنبال گزینه‌هایی نوآورانه برای قابلیت‌های PNT فضایی بریتانیا است.

خرابی تمام صورت‌های فلکی ماهواره‌ای GNSS به‌صورت یکجا بعید است. به گفته‌ی میگوئل امو، رئیس بازاریابی موقعیت‌یابی و خودکارسازی شرکت هگزاگون (شرکت فناوری اطلاعات مستقر در استکهلم):

ریسک بالاتر شامل حمله به سیستم‌های GNSS از سمت جمرها (مختل‌کننده‌ها) و اسپوفرها (جعل‌کننده‌ها) است. فناوری‌های ضد جعل و ضد اختلال موجود هستند؛ اما به‌طور کلی آژانس‌های امنیتی ملی از خریداران آن‌ها هستند نه کاربران تجاری.

گزارش بخش حمل‌ونقل ایالات متحده به کنگره در ماه ژانویه به شناسایی فناوری‌هایی اختصاص داشت که می‌توانند مکمل یا پشتیبانی برای سرویس GPS باشند. بر اساس این گزارش، در حال حاضر هیچ جایگزینی برای قابلیت‌های هدایت و موقعیت‌یابی GPS وجود ندارد؛ به همین دلیل بخش حمل و نقل به مالکان و اپراتورهای زیرساخت توصیه می‌کند خود را با فناوری‌های PNT متنوعی تطبیق بدهند.