Когда замолчат спутники: атомные часы готовят человечество к коллапсу GPS

17 января 2025 года Boeing 737 MAX 8-200 компании Ryanair, летевший из Лондона в Вильнюс, не смог приземлиться в пункте назначения. Когда лайнер снизился до высоты 259 метров, внезапно отказала система GPS. Пилотам пришлось экстренно набирать высоту и уходить на запасной аэродром в Варшаве, преодолев дополнительные 400 километров.

Инцидент в небе над Вильнюсом - лишь один из многих в воздушном пространстве Прибалтики. За минувшие три месяца литовские авиадиспетчеры насчитали более 800 случаев сбоев в работе GPS.

Уязвимость GPS угрожает не только авиации. От спутниковых сигналов точного времени зависят электросети, промышленные системы управления, связь и банковские операции. Злоумышленники научились не только глушить GPS-сигналы, но и подменять их ложными данными - этот прием называется спуфингом. При спуфинге приемник получает поддельные радиосигналы, которые имитируют настоящие сообщения со спутников GPS. Устройство-имитатор передает фальшивые данные о времени отправки сигнала и координатах спутника, из-за чего приемник неверно рассчитывает свое местоположение.

В зонах военных конфликтов - Украине, Ближнем Востоке, Кашмире и Мьянме - противники уже активно применяют глушение GPS. Этот прием помогает не только решать тактические задачи на поле боя, но и дестабилизировать гражданскую инфраструктуру. С 2021 года такие атаки участились, а методы их проведения становятся все изощреннее.

GPS создали в 1970-х годах как военную технологию для точного определения координат. В основе системы лежит сеть спутников, оборудованных атомными часами. Принцип ее работы напоминает морскую навигацию: как моряки определяют свое положение по нескольким маякам, так и GPS-приемник вычисляет координаты по сигналам спутников. Каждый спутник непрерывно транслирует радиосигналы с закодированной информацией о своем положении на орбите и точном времени отправки. Когда сигналы доходят до Земли, приемник измеряет время их прохождения и, зная скорость распространения радиоволн, рассчитывает расстояние до каждого спутника. Чтобы получить полные координаты - широту, долготу и высоту - нужны данные как минимум от четырех спутников. Три установки образуют на поверхности Земли точку пересечения трех сфер, а четвертая помогает определить высоту и скорректировать погрешности в измерении времени.

Атомные часы на спутниках GPS удивительно точны: за сутки они отклоняются всего на несколько миллиардных долей секунды. Приемник вычисляет свои координаты, анализируя, когда до него дошли сигналы разных спутников. Если временные метки искажены хотя бы немного, ошибка в определении местоположения может составить десятки или сотни метров.

Банки не могут обойтись без GPS при проведении высокочастотных торговых операций - там важна точность до миллисекунд. Энергетики с помощью спутниковых сигналов регулируют подачу электричества и распределяют нагрузку в сетях. Телекоммуникационным компаниям GPS необходим для синхронизации данных и стабильной работы интернета.

Национальный институт стандартов и технологий США подсчитал: если GPS откажет на сутки, страна потеряет около миллиарда долларов. В Великобритании аналогичный сценарий грозит ущербом в 1,4 миллиарда фунтов стерлингов. Британские власти внесли угрозу сбоев GPS в национальный реестр рисков как одну из самых серьезных проблем для инфраструктуры, требующую срочных мер.

Спутники GPS кружат по орбите в 20 тысячах километров над Землей, но заглушить их сигналы с поверхности - совсем не проблема. Источником помех могут стать как военные технологии, так и портативные устройства, которые без труда можно купить в интернете. В зонах боевых действий глушение GPS применяют, чтобы вывести из строя системы вооружения противника или сбить с курса беспилотники и ракеты.

Сигналы GPS распространяются только по прямой линии. Поэтому самолеты на большой высоте и корабли в открытом море особенно уязвимы - там нет естественных преград вроде гор или зданий, способных хоть как-то защитить от помех.

В Национальной физической лаборатории группа под руководством доктора Хелен Марголис создает принципиально новые оптические часы. В отличие от традиционных атомных часов, где для измерения времени используются микроволновые колебания атомов цезия, новая система основана на колебаниях лазерного луча, захваченного в ловушку из охлажденных атомов стронция.

Частота колебаний намного выше, чем у микроволн, что позволяет "нарезать" время на еще более мелкие промежутки. Такие часы обещают стать в сто раз точнее современных цезиевых хронометров, которые сейчас задают стандарт всемирного координированного времени. Но перед учеными стоит сложная задача: сделать технологию достаточно компактной и устойчивой к внешним воздействиям, чтобы она могла работать не только в идеальных лабораторных условиях, но и на транспорте или в полевых условиях.

Одно из самых перспективных решений - создать автономные навигационные системы с собственными атомными часами. Такой навигатор будет работать как бортовой компьютер самолета, но с гораздо большей точностью. Зная начальную точку маршрута, устройство сможет отслеживать малейшие изменения в скорости и направлении движения. Встроенные квантовые датчики будут измерять ускорение и повороты с точностью до миллионных долей, а сверхточные атомные часы обеспечат безупречный хронометраж для всех расчетов. В сочетании с данными о магнитном и гравитационном полях Земли это позволит определять координаты без опоры на спутники.

Британские физики планируют создать сеть из четырех синхронизированных атомных хронометров нового поколения. Каждый из них будет непрерывно сверять показания с остальными через защищенные каналы связи, что позволит достичь беспрецедентной точности и надежности измерений. К 2030 году эта сеть должна стать главным хранителем времени для всей страны. Банки будут использовать ее для регистрации точного времени всех финансовых операций, энергетики - для балансировки нагрузки в сетях, а военные - для координации действий. В случае сбоя GPS такая система продолжит бесперебойно работать, обеспечивая точным временем критически важную инфраструктуру.

Американская компания Infleqtion недавно получила от Пентагона 11 миллионов долларов на разработку квантовых систем навигации. Их установка "Tiqker" размером с три коробки из-под пиццы следит за колебаниями электронов в сверххолодных атомах рубидия. Когда температура приближается к абсолютному нулю, квантовые колебания становятся невероятно стабильными и предсказуемыми, что позволяет измерять время с точностью до триллионных долей секунды. Главное достоинство системы в том, что квантовые состояния атомов невозможно подделать или исказить внешними помехами - это фундаментальный закон физики.

Еще один американский стартап - SandboxAQ во главе с бывшим гендиректором Google Эриком Шмидтом - делает ставку на магнитную навигацию. Технология AQNav создает трехмерную карту магнитного поля Земли, регистрируя мельчайшие изменения в его напряженности и направлении. Каждая точка на планете обладает уникальной комбинацией магнитных характеристик, которая зависит от состава пород в земной коре и электрических токов в ионосфере. Искусственный интеллект сопоставляет данные высокочувствительных магнитометров с детальной магнитной картой планеты, что позволяет определять местоположение без опоры на спутники.

Австралийская Q-CTRL борется с другой проблемой: квантовые датчики слишком чувствительны к тряске на кораблях и самолетах. Компания создала программу, которая, как шумоподавляющие наушники, отфильтровывает лишние помехи. Это позволяет сохранять точность измерений даже при качке в море и турбулентности. Q-CTRL уже сотрудничает с Airbus, британским флотом и военными Австралии, чтобы внедрять свои разработки в навигационные системы. Параллельно компания помогает NASA и Геологической службе США составлять карты гравитационного поля.

Пока что квантовые часы стоят около 100 тысяч долларов, а сделать их пригодными для повседневного использования - сложнейшая техническая задача. Специалисты считают, что первыми их установят на морских судах, где размер и вес оборудования не так важны. Со временем квантовые датчики, оптические часы и магнитные навигаторы уменьшатся настолько, что поместятся в авиационную технику или даже в смартфон. Правда, до этого момента пройдет не меньше десяти лет.