O Cessna Citation Excel estava se aproximando do aeroporto de Sun Valley, Idaho, quando algo parecia errado em sua rota de vôo. Como muitos aviões, ele foi sintonizado com GPS para orientação. Normalmente, isso é uma coisa boa. Neste dia de agosto de 2018, porém, surgiu um problema. Os sinais de GPS perto do aeroporto não eram confiáveis ​​e a fumaça na área dificultava a visibilidade. O jato executivo de médio porte estava fora do curso e voando muito baixo no terreno montanhoso.

A causa provável das leituras instáveis ​​do GPS? Atividade militar que causou o bloqueio dos sinais, segundo relato do Aviation Safety Reporting System da NASA , que reúne informações fornecidas por pilotos, controladores de tráfego aéreo e outros profissionais da aviação. Felizmente, o radar no solo forneceu uma leitura mais precisa e os controladores levaram o avião ao seu destino com segurança.

Não foi um evento isolado, de acordo com relatórios do IEEE Spectrum e outros.

O GPS é muito suscetível a interferência e seu primo trapaceiro, a falsificação. Os sinais usados ​​por aeronaves, navios, tratores agrícolas e seu smartphone se originam de satélites de 12.000 milhas (19.300 quilômetros) no espaço. Quando eles chegam à Terra, eles estão extremamente fracos e facilmente subjugados. Um satélite lançado em junho para a constelação de GPS representa um pequeno passo para tornar o serviço mais seguro. Mas os próprios satélites enfrentam perigos.

Os sinais altamente precisos do Sistema de Posicionamento Global penetraram em quase todos os tecidos da vida moderna, desde o registro de transações bancárias até a sincronização de redes elétricas para ajudá-lo a encontrar o Starbucks mais próximo. Empresas e indivíduos podem usar os recursos PNT do sistema – posicionamento, navegação e tempo – para quase nada. Nos EUA, o GPS tem cerca de US $ 1 bilhão por dia em impacto econômico , de acordo com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Também é vital para as operações das forças armadas dos EUA.

 

Há tanta coisa em jogo no GPS que uma lei federal de 2018 buscou resolver um dos maiores problemas subjacentes: a ausência de um backup dedicado.

Qualquer dano substancial ou interrupção do sistema seria uma má notícia.

“Minha esperança é que possamos chegar à frente do estrondo e pelo menos obter … alguma resiliência colocada nos sistemas [que dependem do GPS] antes que a coisa ruim aconteça”, disse Dana Goward, presidente da Resilient Navigation and Timing Foundation, uma organização sem fins lucrativos com sede em Washington, DC.

Adesivo de pára-choque em um caminhão com os dizeres "Velocidade do veículo monitorada por GPS"
O GPS não está realmente observando você. Mas os dados que ele fornece, junto com os sistemas de informações geográficas, podem ajudar uma empresa a manter o controle sobre seus motivadores.

Um backup teria muito a provar.

“É realmente difícil criar esse substituto gigante e único para o GPS”, disse Richard Mason, engenheiro sênior da Rand Corp. e autor principal de um relatório sobre a capacidade nacional de PNT encomendado pelo Departamento de Segurança Interna em 2019 e lançado ao público em maio deste ano. O relatório é cético sobre quanta intervenção do governo é necessária, apesar das vulnerabilidades do GPS.

Do lado positivo, diz Mason, “há muitos pequenos backups parciais”.

Por exemplo: seu telefone pode perder GPS, diz Mason, e ainda lhe dará uma noção de onde você está com base nos sinais de celular (o que é conhecido como GPS assistido), embora não com tanta precisão. As aeronaves possuem sistemas de navegação alternativos. As empresas financeiras podem obter serviços de cronometragem de outras fontes.

Qual é o problema então? É que somos viciados em GPS em grande escala.

Esses sinais do espaço se tornaram “a referência nacional de fato”, disse o Comitê Consultivo de Telecomunicações de Segurança Nacional em um relatório ao presidente Joe Biden em maio. “Essa ampla adoção significa que suas vulnerabilidades representam uma ameaça quase existencial.”

O grupo recomendou que o governo desenvolvesse uma estratégia para uma “Arquitetura Nacional de Sincronismo” e alocasse fundos suficientes para criá-la.

As ameaças que o GPS enfrenta

Há precedentes para que o governo dos Estados Unidos financie algo como o GPS porque ele construiu o GPS em primeiro lugar, principalmente como uma tecnologia militar, a partir dos anos 1970. Na década de 1990, a navegação por satélite estava começando a se tornar uma parte notável da vida civil.

No momento, Washington gasta cerca de US $ 1,8 bilhão por ano para manter o GPS funcionando. A Força Espacial dos EUA gerencia os satélites e as estações terrestres que os rastreiam. (Ele assumiu a responsabilidade da Força Aérea depois de ser dividido em um braço separado em dezembro de 2019.) O Departamento de Transporte é a agência civil líder para os esforços do PNT.

A constelação GPS consiste em 31 satélites localizados em órbita média da Terra. Esses satélites carregam relógios atômicos e rádios de bordo enviam sinais de tempo precisos deles para receptores em terra, incluindo o chip GPS do seu telefone. Os sinais de GPS alcançam mais de 4 bilhões de usuários militares e civis em todo o mundo, de acordo com a Força Espacial.

Esses sinais de tempo são traduzidos em dados de localização quando um receptor sincroniza sinais de vários satélites. Da maneira como os satélites estão espalhados ao redor do globo, você deve estar sempre à vista de pelo menos quatro.

O GPS foi o primeiro do que é conhecido como um sistema global de navegação por satélite, ou GNSS. Mas não é o único: Beidou da China, Glonass da Rússia e Galileo da UE servem a propósitos semelhantes. Em 2018, a FCC autorizou sinais Galileo para recepção nos Estados Unidos, o que significa que eles poderiam servir como um backup de GPS, pelo menos até certo ponto. Mas o próprio GPS é o único sistema sob controle dos Estados Unidos.

Todos os satélites são vulneráveis ​​a ameaças em órbita sobre as quais temos pouco controle. Por exemplo, detritos espaciais podem danificar satélites individuais ou severas tempestades solares podem causar curto-circuito nas operações de centenas ou mais.

Eles também são vulneráveis ​​a armas anti-satélite e intrusões cibernéticas por adversários em potencial que sabem o quanto nossa economia e nossos militares dependem de satélites. Quanto mais satélites você eliminar ou confundir, pior para nós.

Foguete SpaceX Falcon 9 decolando
Um foguete SpaceX Falcon 9 decola em 17 de junho de 2021, levando o quinto satélite GPS III em órbita para a Força Espacial dos EUA.

O general John Raymond, chefe da Força Espacial dos EUA, disse ao subcomitê de defesa do Comitê de Apropriações da Câmara em maio que precisamos nos preocupar.

“Tanto a China quanto a Rússia estão desenvolvendo capacidades para negar nosso acesso ao espaço”, disse Raymond. “Há uma ameaça ativa no domínio.”

Mas os perigos mais imediatos são mais práticos: interferência (transmitindo um sinal mais forte do que o fraco vindo do espaço) e falsificação (transmitindo um sinal que parece GPS e fornecendo informações falsas). É barato e fácil de usar. Os russos bloquearam ou falsificaram os sinais de GPS na Escandinávia , Ucrânia e Síria . A Coreia do Norte os tem como alvo na Coreia do Sul . E depois há aquelas interrupções de voos nos Estados Unidos, que podem, ironicamente, ser resultado dos esforços das Forças Armadas dos Estados Unidos para descobrir como lidar com esse problema.

“A ameaça que mais nos preocupa com o GPS é o congestionamento”, disse Raymond.

A lei busca um backup de GPS

Alguns anos atrás, o National Timing Resilience and Security Act orientou o secretário de transporte a estabelecer um sistema de cronometragem baseado em terra que poderia servir como backup para o GPS dentro de dois anos. Esse prazo chegou e passou no final de 2020, mas em janeiro deste ano o Departamento de Transporte relatou ao Congresso o ” roteiro para a implementação ” que está seguindo em direção a essa meta.

Um relatório complementar do DOT detalhou uma variedade de tecnologias que poderiam fornecer “serviço complementar no caso de interrupções do GPS”. Algumas tecnologias disponíveis comercialmente, disse ele, podem ir em parte no caminho para imitar os serviços de cronometragem do GPS. Mas a agência disse que nenhum deles seria capaz de servir como um backup universal para os recursos de posicionamento e navegação.

Das 11 tecnologias avaliadas pelo Departamento de Transporte, uma acertou em cheio em todos os casos de uso: um sistema de farol metropolitano feito pela NextNav, com sede em Sunnyvale, Califórnia. Os faróis – transmissores que enviam os sinais de rádio – são instalados em terra, em vez de no espaço, e são agrupados em áreas urbanas (portanto, “metropolitanas”).

Para NextNav, o aplicativo do mundo real é seu serviço TerraPoint promissor, que dá uma ideia de como recursos semelhantes aos do GPS são possíveis a partir de algo que não é o GPS.

Os beacons TerraPoint , instalados em torres de celular e telhados de edifícios, têm o tamanho de um refrigerador de dormitório, possuem uma antena omnidirecional e uma fonte de alimentação de 110 volts, e estão separados por cerca de 8 a 10 quilômetros (contra 12.000- alcance de milhas para GPS). Isso torna o sinal muito mais robusto. O CEO Ganesh Pattabiraman estima que eles são “cerca de 100.000 vezes mais fortes do que o GPS.”

O serviço comercial para o qual a NextNav está trabalhando seria independente do GPS, mas funcionaria exatamente como ele, fornecendo dados completos de posição, navegação e tempo, de acordo com Pattabiraman. Cada um de seus transmissores tem um relógio atômico e envia um sinal de temporização preciso e de baixa frequência para receptores equipados com chips de empresas como Broadcom e GCT Semiconductor que oferecem suporte a GPS, Galileo, Glonass e outros GNSS. O serviço foi projetado para operar com dispositivos de mercado de massa, como telefones celulares, carros e drones, conforme a rede é construída.

Transmissor NextNav TerraPoint
Aqui está uma olhada no interior de um dos transmissores TerraPoint da NextNav.

“Parece outro sinal de GPS”, disse Pattabiraman. Para o receptor, “é apenas outra constelação, exceto que acontece de ser terrestre”.

O TerraPoint é implantado em escala apenas na área da Baía de São Francisco, onde empresas eVTOL como a Joby Aviation estão fazendo testes com ele para navegação urbana, decolagem e aterrissagem. Também tem uma presença mais limitada em várias outras áreas. A NASA, por exemplo, implantou uma rede TerraPoint em Langley, Virginia, para operações de drones urbanos. A NextNav espera que uma aquisição anunciada em junho, e feita com uma oferta pública em mente, lhe dê financiamento para expansão.

A chave para tornar qualquer alternativa de GPS em uso generalizado é torná-la tão fácil de usar quanto, também, o GPS. Alternativas como o extinto sistema de radionavegação Loran exigiam receptores separados e volumosos, e o governo dos Estados Unidos acabou com isso há uma década. Algumas empresas estão trabalhando em serviços usando o que é conhecido como Loran aprimorado, também conhecido como eLoran , mas ainda não se tornou mais do que um aplicativo de nicho nos EUA.

“A coisa boa sobre o NextNav e coisas como o NextNav”, disse Rand’s Mason, “é que [eventualmente] estaria apenas em todos os smartphones, e você está usando, quer saiba ou não.”

Isso não quer dizer que um backup de GPS tenha que ser ligado à terra. Empresas como a Satelles , que também participou das demonstrações do Departamento de Transporte, usam a constelação Iridium de satélites de órbita terrestre baixa a uma altitude de apenas 480 milhas (780 km). Já está fornecendo serviços de cronometragem e localização, implantados como backup de GPS para clientes, incluindo redes financeiras e concessionárias de energia.

Uma startup chamada Xona Space Systems está projetando seu próprio sistema PNT de órbita baixa. Em maio, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, ou DARPA, concedeu à Northrop Grumman um contrato para demonstrar o desempenho dos satélites de órbita baixa fornecendo sinais PNT. Os pesquisadores estão investigando se os satélites Starlink da SpaceX, construídos para transmitir banda larga da órbita para a Terra, poderiam ser colocados em serviço como um recurso PNT.

Algumas dessas opções ainda estão apenas no papel. Mas mesmo aqueles que estão em operação não têm a escala do GPS de longa data.

Enquanto isso, o próprio GPS está ganhando impulso. O satélite que foi lançado em junho é o quinto de uma nova série conhecida como GPS III, que foi projetada para ser até três vezes mais precisa e ter até oito vezes a capacidade anti-bloqueio. Especificamente para os militares, está ajudando a habilitar o sinal criptografado do Código M que é difícil de interferir e falsificar.

Oito vezes um sinal fraco, no entanto, ainda não é um sinal que se compara a poderosos jammers e spoofers operando nas proximidades.

O papel do governo

O que torna o GPS tão atraente para tantas aplicações é que ele já existe. É essencialmente universal. É barato e fácil de usar. Isso também torna difícil reunir entusiasmo para gastar tempo e dinheiro para inventar algo que faça o que faz, tão amplamente quanto faz.

Além disso, esses backups parciais somam … alguma coisa.

A grande questão é quanto o governo dos EUA precisa ou deseja investir na construção de um backup considerável para o GPS.

Rand recomenda moderação, embora reconheça que existem algumas iniciativas federais potenciais que poderiam ser econômicas, incluindo um backup apenas de cronometragem ou esforços de aplicação da lei focados em bloqueio de GPS.

“Não há um caso convincente para o governo fazer muito mais do que está fazendo ou [fazer] um grande novo sistema de backup”, disse Mason. “Há também a questão de, ‘Alguém vai usar isso?'”

Isso não é bom o suficiente para Goward, da Resilient Navigation and Timing Foundation. Ele vê a China como tendo ultrapassado completamente os EUA no estabelecimento de uma abordagem sofisticada e abrangente para PNT que inclui três tipos de satélites em altitudes diferentes, além de capacidades eLoran e PNT no sistema de telecomunicações para independência do espaço.

Ele quer que os legisladores ajam logo.

Uma coisa que o Congresso terá de considerar: o orçamento proposto no final de maio para o ano fiscal de 2022, que começa em outubro, inclui uma linha que pede a revogação da Lei Nacional de Resiliência e Segurança do Tempo – um reconhecimento tácito de que provavelmente não o faremos veja aquele backup de GPS exigido por lei em breve. (Também inclui US $ 10 milhões para pesquisa em sistemas complementares e de backup.)

Goward estima que os EUA possam gastar apenas US $ 50 milhões a US $ 75 milhões por ano em um sistema de cronometragem que todos no país possam acessar. Ele chama isso de “poeira do orçamento” em comparação com o que já estamos gastando com GPS.

“O próximo passo”, diz ele, “é o Congresso decidir o que quer fazer.”

Nesse ínterim, o congestionamento continua, e pilotos como aqueles naquele Cessna fora do Vale do Sol precisarão olhar atentamente para o que seu dispositivo GPS está dizendo a eles.

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