این روزها زیاد نام پارازیت GPS، جمینگ GPS، یا اخلال در سیستم‌های GPS به گوش می‌رسد، به خصوص زمانی که تنش‌های نظامی در جهان بالا می‌گیرد. اما آیا می‌دانید دقیقاً این اخلال چگونه رخ می‌دهد و چرا تا این حد اهمیت دارد؟ در این پست، به بررسی علمی این پدیده، کاربردهای گسترده GPS و راه‌های مقابله با اختلالات آن می‌پردازیم.

GPS چیست و چرا اینقدر مهم است؟

GPS مخفف عبارت “Global Positioning System” یا “سامانه موقعیت‌یابی جهانی” است. در واقع GPS نام یکی از سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) است و به دلیل اینکه اولین و گسترده‌ترین این سامانه‌هاست، نام آن معادل کل این سامانه‌ها شده است، درست مثل اینکه به هر دستمال کاغذی “کلینکس” بگوییم. امروزه موبایل‌های ما علاوه بر GPS آمریکا، از سامانه‌های دیگری مانند گلوناس روسیه، بیدو چین و گالیلئو اروپا نیز استفاده می‌کنند، اما عموم مردم به همه آن‌ها GPS می‌گویند.

GPS در ابتدا برای کاربردهای نظامی ساخته شد و از حدود 20 سال پیش در دسترس عموم قرار گرفت. امروزه زندگی بدون GPS تقریباً غیرقابل تصور است. کاربرد آن فقط به مسیریابی محدود نمی‌شود؛ بسیاری از برنامه‌ها و خدمات با استفاده از موقعیت شما که از GPS به دست می‌آید، فعالیت می‌کنند. حتی دکل‌های آنتن موبایل برای تنظیم دقیق ساعت‌های خود، از سیگنال‌های ماهواره‌های GPS بهره می‌برند، یعنی بدون GPS، آنتن‌دهی موبایل هم با مشکل مواجه می‌شود.

کاربردهای GPS فراتر از تصور است:

• غیرنظامی: مسیریابی، خدمات مبتنی بر موقعیت در اپلیکیشن‌ها، تنظیم ساعت دقیق دکل‌های موبایل، ناوبری در هواپیماها، کشتی‌ها، قطارها و پهپادها، کشاورزی، مدیریت ترافیک و انرژی، و حتی در حوزه‌هایی مانند بیمه و بورس.

• نظامی: بمب‌ها، موشک‌ها، و سامانه‌های پدافندی.

به دلیل همین گستردگی استفاده است که هرگونه اخلال یا اختلال در این سامانه، تأثیرات بسیار بدی بر زندگی فردی و خدمات اجتماعی می‌گذارد.

انواع اختلال در سامانه‌های GPS: از پارازیت تا جعل سیگنال

اختلال در GPS چیز جدیدی نیست و بسیاری از ما بارها به صورت مقطعی آن را تجربه کرده‌ایم؛ مثلاً زمانی که GPS موبایل ما نمی‌تواند مکان دقیق را پیدا کند یا ما را در جایی که نیستیم، نشان می‌دهد. این اختلال به دو صورت کلی اتفاق می‌افتد:

1. پارازیت GPS (Jamming):

• در این روش، امواج رادیویی (گاهی عمدی و گاهی غیرعمدی) پخش می‌شود که باعث اخلال در دریافت سیگنال‌های ماهواره GPS توسط دستگاه گیرنده می‌شود.

• در نتیجه، دستگاه‌های GPS نمی‌توانند موقعیت‌یابی کنند.

• روش کار: گیرنده GPS شما صرفاً امواج را دریافت می‌کند و چیزی ارسال نمی‌کند. ماهواره‌ها به صورت مداوم امواجی (با فرکانس متوسط ۱۲۰۰ مگاهرتز) را به زمین می‌فرستند که حاوی اطلاعات مکان، مدار و زمان ارسال امواج است.

• اگر یک منبع امواج رادیویی، امواجی با فرکانس تقریباً برابر با امواج GPS (و با قدرتی مشابه یا قوی‌تر) پخش کند، گیرنده آن امواج را با امواج اصلی ماهواره قاطی می‌کند و دیگر نمی‌تواند اطلاعات درست را دریافت کند. این مانند این است که دو نفر در دو طرف خیابان با هم صحبت کنند و ماشین‌های پرسروصدا از بین آن‌ها رد شوند؛ دیگر صدای همدیگر را نمی‌شنوند.

• سادگی ایجاد پارازیت: ایجاد پارازیت به این شکل بسیار آسان است و حتی با یک منبع امواج با قدرت پایین (چند وات) می‌توان یک محدوده را پوشش داد. گاهی اوقات این اتفاق به صورت ناخواسته و از طریق هارمونیک‌های فرکانس اصلی (ضرایب صحیح فرکانس اصلی) فرستنده‌های رادیویی دیگر نیز رخ می‌دهد.

2. جعل سیگنال GPS (Spoofing):

• این مورد دوم بسیار خطرناک‌تر است. در این روش، سیگنال‌های جعلی فرستاده می‌شود که معمولاً عمدی است و باعث می‌شود دستگاه GPS یک موقعیت اشتباه را پیدا کند.

• پیچیدگی: جعل سیگنال بسیار پیچیده‌تر است و کسی که این کار را می‌کند باید اطلاعات کامل و دقیقی از سیگنال‌های واقعی ماهواره‌ها داشته باشد تا بتواند سیگنال‌های مشابهی با اطلاعات جعلی تولید کند.

• فریب پهپادها و هواپیماها: با این روش می‌توان پهپادها و هواپیماهایی که به صورت خلبان خودکار کنترل می‌شوند را فریب داد و کنترل آن‌ها را به دست گرفت. به عنوان مثال، اگر به یک پهپاد با سیگنال‌های جعلی بگوییم که بالاتر از موقعیت واقعی خود قرار دارد، شروع به پایین رفتن می‌کند تا به نقطه از پیش تعریف شده برسد و به این ترتیب می‌توان پهپاد را سالم فرود آورد. این تاکتیک بارها در جنگ‌های الکترونیک انجام شده است.

• چالش حرکت: جعل سیگنال برای یک هدف متحرک دشوارتر است، زیرا فرستنده از یک جهت نمی‌تواند همزمان امواج ماهواره‌های مختلف را شبیه‌سازی کند.

• روش‌های پیشرفته: برخی سیستم‌های پیشرفته جعل سیگنال ابتدا امواج مخالفی را برای خنثی کردن سیگنال‌های واقعی ماهواره‌ها ارسال می‌کنند و سپس امواج جعلی خود را می‌فرستند تا کنترل کامل گیرنده GPS را به دست بگیرند.

GPS چگونه موقعیت‌یابی می‌کند و ساعت‌های ما چطور دقیق می‌شوند؟

برای درک بهتر اخلال، باید بدانیم GPS چگونه کار می‌کند:

• اندازه‌گیری فاصله: برای پیدا کردن موقعیت خود روی زمین، باید فاصله خود را از چند نقطه مشخص (ماهواره‌ها) که مکانشان دقیقاً معلوم است، پیدا کنیم. با اندازه‌گیری فاصله از حداقل ۳ یا ۴ ماهواره، مکان دقیق ما مشخص می‌شود، زیرا تنها یک نقطه در فضا وجود دارد که آن فاصله‌های مشخص را از آن ماهواره‌ها دارد.

• گیرنده موبایل: موبایل شما دارای یک گیرنده GPS است که صرفاً امواج ماهواره‌ها را دریافت می‌کند.

• اهمیت زمان‌سنجی دقیق: برای محاسبه دقیق فاصله گیرنده تا ماهواره (که از روی زمان ارسال و دریافت امواج محاسبه می‌شود)، ساعت روی گیرنده (موبایل شما) باید فوق‌العاده دقیق و کاملاً با ساعت ماهواره تنظیم باشد. ماهواره‌ها دارای ساعت اتمی هستند، اما گوشی‌ها این ساعت را ندارند.

• تنظیم ساعت موبایل: موبایل‌ها برای تنظیم ساعت خود در حد دقت ساعت اتمی، پس از دریافت سیگنال از سه ماهواره، از یک ماهواره چهارم نیز استفاده می‌کنند. سپس ساعت خود را آنقدر تغییر می‌دهند تا نقطه‌ای که از چهار فاصله به دست می‌آید، روی هم منطبق شود. به این ترتیب، ساعت موبایل شما به دقت ساعت اتمی تنظیم می‌شود و این تکنیک در بسیاری از سیستم‌های دیگر نیز برای تنظیم ساعت‌های بسیار دقیق به کار می‌رود، مانند همان دکل‌های آنتن موبایل که قبلاً ذکر شد.

مقابله با پارازیت و جعل سیگنال GPS: نبرد الکترونیک ادامه دارد

جنگ‌های الکترونیک همواره در حال پیشرفت هستند و راه‌های مختلفی برای مقابله با اخلال در GPS وجود دارد:

1. آنتن‌های جهت‌دار:

• در سیستم‌های نظامی (مثل پهپادها)، گیرنده و آنتن GPS طوری طراحی می‌شوند که فقط سیگنال‌هایی را که از بالا (از ماهواره‌ها) می‌آیند، دریافت کنند و به سیگنال‌های پارازیت یا جعلی که از زمین ارسال می‌شوند، توجهی نکنند.

• البته این روش را می‌توان با ارسال پارازیت‌ها یا سیگنال‌های جعلی از هواپیماها، پهپادها یا حتی ماهواره‌هایی که بالاتر از هدف قرار دارند، دور زد.

2. آنتن‌های هوشمند:

• این آنتن‌ها می‌توانند بین امواج جعلی و امواج اصلی تمایز قائل شوند.

• تشخیص جهت ارسال: با استفاده از چند آنتن، می‌توان جهت ارسال امواج را تشخیص داد و فقط امواجی را که از جهت ماهواره‌های GPS ارسال می‌شوند، دریافت کرد.

• تمایز بر اساس قدرت: آنتن‌های هوشمند می‌توانند بین امواج جعلی و پارازیت (که معمولاً کمی قوی‌تر از امواج اصلی ماهواره هستند) تفاوت قائل شوند و امواج قوی‌تر را نادیده گرفته و روی امواج ضعیف‌تر و اصلی “قفل” کنند.

با این حال، این یک جنگ بی‌پایان است؛ برای هر روش مقابله، روشی برای مقابله با آن نیز وجود دارد و این چرخه ادامه پیدا می‌کند.