«GPS» چیست و چگونه کار می‌کند؟

به گزارش خبرگزاری خبرآنلاین و به نقل از دیجیاتو، بسیاری از ما این روزها هنگام استفاده از اپلیکیشن‌های نقشه و مسیریابی در نقاط مختلفی از ایران با مشکلاتی مانند نمایش موقعیت مکانی نادرست یا پرش‌های ناگهانی دست به گریبان شده‌ایم. در این مطلب قصد داریم به زبان ساده به این ۲ سؤال پاسخ دهیم که این سیستم‌ها چگونه کار می‌کنند و چه پدیده‌هایی منجر به اختلال در عملکرد آنها می‌شود.

GPS و خانواده جهانی آن چگونه کار می‌کنند؟

آنچه ما عموماً به آن GPS می‌گوییم، عضوی از خانواده بزرگ‌تری به نام سیستم ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) است. این سیستم‌ها مجموعه‌ای از ماهواره‌ها هستند که در مدارهای بسیار دقیقی دور زمین می‌چرخند. امروزه چندین سیستم GNSS فعال در جهان وجود دارد:

• GPS (آمریکا): اولین و مشهورترین سیستم
• GLONASS (روسیه): رقیب اصلی GPS در دوران جنگ سرد
• Galileo (اتحادیه اروپا): سیستم مدرن اروپایی با اهداف غیرنظامی
• BeiDou (چین): سیستم چینی که به‌سرعت درحال گسترش است

تعیین موقعیت با GNSS براساس اصل ریاضی به نام سه‌پهلوبندی (Trilateration) کار می‌کند. در این روش، گیرنده (گوشی هوشمند شما) با اندازه‌گیری مستقیم فاصله خود از چندین ماهواره، موقعیت دقیقش را محاسبه می‌کند:

• با ۱ ماهواره: گیرنده می‌فهمد که روی محیط دایره‌ای بسیار بزرگ قرار دارد.
• با ۲ ماهواره: موقعیت به یکی از ۲ نقطه تلاقی ۲ دایره محدود می‌شود.
• با ۳ ماهواره: موقعیت دوبعدی (طول و عرض جغرافیایی) در نقطه تلاقی مشترک ۳ دایره مشخص می‌شود.
• با ۴ ماهواره: سیگنال ماهواره چهارم برای حل مجهولی مهم استفاده می‌شود: خطای ساعت گیرنده.

ساعت‌های داخل گوشی‌های ما به اندازه کافی دقیق نیستند و خطایی کوچک می‌تواند منجر به صدها کیلومتر خطا در موقعیت‌یابی شود. ماهواره چهارم به گیرنده اجازه می‌دهد این خطای زمانی را محاسبه و حذف کند و هم‌زمان، ارتفاع را نیز به دست آورد.

وقتی سیگنال‌ها مختل می‌شوند

سیگنال‌های GNSS که از فاصله ۲۰ هزار کیلومتری به زمین می‌رسند، بسیار ضعیف هستند و می‌توانند به‌صورت طبیعی (مانند عبور از جو) یا عمدی دچار اختلال شوند. دو نوع اصلی اختلال عمدی عبارت‌اند از:

۱. اختلال نویز یا جَمینگ (Jamming)

جمینگ ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع اختلال است. در این روش، یک دستگاه فرستنده، سیگنالی قوی‌تر از سیگنال ماهواره‌ها را روی همان فرکانس ارسال می‌کند. این سیگنال مزاحم، مانند صدایی بسیار بلند در کتابخانه، عملاً سیگنال‌های ضعیف ماهواره‌ها را «غرق» می‌کند و مانع رسیدن آنها به گیرنده می‌شود.

• تأثیر: نتیجه جمینگ قطع کامل سیگنال و ازدست‌رفتن داده‌های موقعیت، ناوبری و زمان‌سنجی است. در این حالت، اپلیکیشن نقشه شما معمولاً پیام «در جستجوی سیگنال GPS» را نمایش می‌دهد.

۲. اختلال فریب یا اسپوفینگ (Spoofing)

اسپوفینگ حمله‌ای بسیار پیچیده‌تر و خطرناک‌تر است. در این روش، به‌جای قطع‌کردن سیگنال، سیگنال‌های جعلی و ساختگی به سمت گیرنده فرستاده می‌شود. این سیگنال‌های فریبنده، گیرنده را متقاعد می‌کنند که در موقعیت یا زمان اشتباهی قرار دارد.

• تأثیر: نتیجه اسپوفینگ دستکاری سیستم ناوبری است. گیرنده همچنان موقعیت را نشان می‌دهد اما این موقعیت کاملاً نادرست است. این همان پدیده‌ای است که می‌تواند باعث شود مکان‌نمای شما روی نقشه، در خیابان یا حتی شهر دیگری نمایش داده شود. این روش می‌تواند ریسک‌های عملیاتی و ایمنی جدی ایجاد کند، مانند منحرف‌کردن مسیر کشتی‌ها یا پهپادها.

نحوه کارکرد و اختلال GPS

سؤال: چرا گوشی هوشمند پیشرفته ما، فریب این سیگنال‌های اشتباه را می‌خورد؟

دلیل اصلی این آسیب‌پذیری ماهیت خود سیگنال‌های GPS است. این سیگنال‌ها باید مسافتی حدود ۲۰ هزار کیلومتر را از فضا طی کنند تا به گوشی شما برسند؛ به همین دلیل در زمان رسیدن به زمین بسیار ضعیف هستند.

در مقابل، دستگاه جمینگ یا اسپوفینگ که نزدیک شما روی زمین قرار دارد، سیگنالی بسیار قوی‌تر را ارسال می‌کند. گیرنده گوشی شما طبیعتاً سیگنال قوی‌تر را به‌جای سیگنال اصلی تشخیص می‌دهد و سیگنال‌های ضعیف و واقعی ماهواره‌ها را نادیده می‌گیرد یا نمی‌تواند از میان نویزها تشخیص دهد. اگرچه فناوری‌های جدیدی برای مقابله با این مشکل درحال توسعه‌اند، بیشتر دستگاه‌های امروزی همچنان در برابر سیگنال مخربِ قوی آسیب‌پذیرند.

چرا این اختلالات درحال افزایش هستند؟

۳ دلیل اصلی برای افزایش این پدیده‌ها وجود دارد:

• در دسترس بودن تجهیزات: دستگاه‌های ایجاد جمینگ و اسپوفینگ با هزینه پایین آنلاین قابل‌تهیه‌اند.
• وابستگی روزافزون: صنایع حیاتی مانند حمل‌ونقل، مخابرات، بازارهای مالی و انرژی به‌شدت به GNSS وابسته‌اند.
• تنش‌های ژئوپلیتیکی: از اختلال در GNSS به‌جای تاکتیک در جنگ‌های سایبری یا درگیری‌های منطقه‌ای استفاده می‌شود.

راهکارهای دفاعی در برابر اختلال

مقابله با این تهدیدات نیازمند استراتژی دفاعی چندلایه است:

• پردازش پیشرفته سیگنال: استفاده از الگوریتم‌های ضدجمینگ که نویز را فیلتر می‌کنند و بهره‌گیری از گیرنده‌های چندفرکانسه که می‌توانند روی فرکانس‌های دیگر به کار خود ادامه دهند.
• احراز هویت سیگنال: استفاده از رمزنگاری برای تأیید صحت سیگنال‌های دریافتی. سیستم گالیله اروپا پیشگام این حوزه با سرویس (OS-NMA) است.
• استفاده از چند سیستم GNSS: گیرنده‌هایی که می‌توانند هم‌زمان از GPS، گالیله، گلوناس و بیدو استفاده کنند، در برابر حملات منطقه‌ای مقاومت بیشتری دارند.
• فناوری‌های مکمل: مهم‌ترین راهکار پشتیبان استفاده از سیستم‌های ناوبری اینرسی (INS) است. این سیستم‌ها که به حرکت و شتاب‌سنج‌های داخلی دستگاه متکی‌اند، نیازی به سیگنال خارجی ندارند و می‌توانند در زمان قطع سیگنال (مانند داخل تونل یا هنگام جمینگ)، موقعیت را تخمینی (معروف به Dead-reckoning) محاسبه کنند.

درکل سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای، فناوری‌های شگفت‌انگیزی هستند که زندگی مدرن را دگرگون کرده‌اند اما همان‌طورکه دیدیم، آسیب‌پذیر نیز هستند. درک جنبه‌های فنی نحوه عملکرد این سیستم‌ها و ماهیت اختلالاتی مانند جمینگ و اسپوفینگ، اولین قدم برای فهمیدن دنیای پیچیده ناوبری در عصر دیجیتال است.

۵۸۳۲۳