مروری بر سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای در صنعت هوانوردی

هر سال بیش از 4 میلیارد مسافر در سراسر دنیا توسط شبکه حمل و نقل هوایی جابجا می‌شوند. حفظ و تقویت ایمنی برای این حجم بالای مسافر مستلزم توسعه راهکارهای جدید در حوزه هدایت و ناوبری ناوگان هوایی است. سامانه‌های ناوبری مبتنی بر ماهواره یکی از بهترین و دقیق‌ترین روش‌های ارائه شده برای موقعیت‌یابی هواپیماها هستند.

امروزه استفاده از سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) برای جهت‌یابی به سمت مقصد به یکی از تجربیات روزمره هر یک از ما تبدیل شده است. تعداد زیادی اپلیکیشن برای تلفن‌های همراه وجود دارد که عملیات موقعیت‌یابی و هدایت را با دریافت سیگنال از ماهواره‌های GPS انجام می‌دهند. با این حال از ورود این فناوری به زندگی ما سال‌های زیادی نگذشته است و صنعت حمل و نقل هوایی خیلی زودتر با راهکارهای مبتنی بر GNSS پیوند یافته است.

صنعت هوانوردی در همان ابتدای پیدایش GNSS، از قابلیت‌ها و پتانسیل بزرگ آن در ایجاد ایمنی و افزایش کارایی ناوگان خود آگاه شد. از این رو در اواخر دهه 1980 میلادی، کارگروه سیستم‌های ناوبری هوایی آینده ایکائو (FANS)، فعالیت خود را برای آگاهی بخشی از اهمیت نقش GNSS در آینده هوانوردی آغاز کرد. در ماه مارس 1991، نشریه ایکائو مقاله‌ای را با عنوان «ورود به عصر ناوبری ماهواره‌ای» منتشر کرد. در ادامه آن، در اوایل سال 1993 (سالی که GPS به‌طور کامل عملیاتی شد)، برخی از کشورها توافق‌هایی برای استفاده از GPS به منظور هدایت هواپیماها در فاز‌های پروازی درون‌مسیر (En-route)، ترمینال و همچنین عملیات‌های اپروچ غیردقیق انجام دادند. اما حتی پس از ارائه مزایای عملیاتی قابل توجه این فناوری توسط کشورهای مذکور، پذیرش استفاده از GNSS توسط بیشتر کشورها مدتی به‌طول انجامید.

هرچند که برای ورود بسیاری از فناوری‌های جدید به حوزه CNS، مانعی با عنوان هزینه تجهیزات مطرح می‌شود، اما در مورد GNSS دو دلیل عمده دیگر نیز مطرح بود. اول اینکه فناوری ناوبری ماهواره‌ای هنوز در مراحل ابتدایی توسعه خود بود و قابلیت اطمینان آن به اثبات نرسیده بود. مسئله دوم اینکه کشورهای ایالات متحده و روسیه هرکدام سیستم ناوبری ماهواره‌ای خود (GPS توسط ایالات متحده و GLONASS توسط روسیه) را توسعه داده بودند و این سوال مطرح می‌شد که صنعت هوانوردی کدامیک را باید انتخاب می‌کرد؟ این در حالی بود که در ابتدا هر دو سیستم به‌طور انحصاری یا بیشتر برای اهداف نظامی پیاده‌سازی شده‌ بودند.

پس چگونه کشورها بر سر استفاده از GNSS به توافق رسیدند؟ جواب این است که عوامل مختلفی دراین مسیر تاثیرگذار بودند و مهم‌ترین آن‌ها اقدام ایکائو برای استانداردسازی چارچوب استفاده از این فناوری در هواپیماهای غیرنظامی بود. هنگامی که در مارس سال 2001 شورای ایکائو اولین استانداردهای GNSS را تصویب و در انکس 10 منتشر کرد، این استانداردها هر دو سامانه GPS و GLONASS را پوشش داده و توسط ایکائو به‌طور رسمی به عنوان یکی از سیستم‌های کمک ناوبری رادیویی همچون ILS، VOR و DME شناخته شده است.

فرایندی که در سال 2001 منجر به تصویب این استانداردها شد شامل گام‌هایی اساسی در هر دو بخش سازمانی و فنی بود. در بخش سازمانی کشورهای ایالات متحده و روسیه در رقابت با یکدیگر و به منظور تحمیل سامانه ماهواره‌ای خود به ایکائو، پیشنهاد استفاده کاملا رایگان از خدمات را برای تمام کاربران به این سازمان ارائه دادند. ایکائو این پیشنهادات را به ترتیب در سال‌های 1994 و 1996 پذیرفت و به کشورهای عضو اعلام کرد که GNSS دیگر یک سیستم نظامی نیست و وعده‌های بزرگی برای عمومی شدن آن در نظرگرفته شده است.

پس از رفع مشکلات سازمانی، همچنان سوالاتی از منظر فنی مطرح بود. اینکه آیا GNSS قادر خواهد بود الزامات ایمنی هواپیماهای مسافری و غیرنظامی را برآورده کند؟ باید اشاره کرد که هر دو سامانه روسی و آمریکایی از ابتدا با توجه به نکات ایمنی حمل و نقل هوایی طراحی نشده بودند و لازم بود قابلیت‌های آن‌ها با توجه به الزامات ایمنی در هوانوردی غیرنظامی مورد ارزیابی قرار گیرد. برای این مسئله، کارگروه GNSS ایکائو از سال 1993 فعالیت گسترده‌ای را آغاز کرد. نتیجه فعالیت این گروه منجر به انتشار استانداردهایی مخصوص حوزه هوانوردی با عنوان «سیستم‌های تقویتی» (Augmentation Systems) شد که می‌تواند سرویس‌های ناوبری با محوریت GPS و GLONASS را ارتقاء و به سطح ایمنی لازم برساند. این سیستم‌ها عبارتند از سیستم تقویت مبتنی بر هواپیما (ABAS)، سیستم تقویت زمینی (GBAS) و سیستم تقویت ماهواره‌ای (SBAS) که در حال حاضر جزء جدایی‌ناپذیر از GNSS هستند.

امروز پس از حدود 3 دهه از به رسمیت شناخته شدن قابلیت‌های GNSS توسط کمیته FANS ایکائو و حدود 2 دهه پس از تصویب استانداردها و تمرین‌های پیشنهادی (SARPs[1]) این فناوری توسط ایکائو، ناوبری ماهواره‌ای به‌طور گسترده‌ای مورد استقبال کاربران حمل و نقل هوایی قرار گرفته است. این فناوری همچنین اساس مفهوم ناوبری مبتنی بر عملکرد (^[2]PBN) ایکائو بوده است. مفهومی که قابلیت‌های ناوبری را در همه جا و تقریبا بدون در نظرگرفتن زیرساخت‌های زمینی ارائه می‌دهد.

اما باید گفت کار ایکائو با GNSS تمام نشده است و این فناوری همچنان فرصت‌های جدیدی را پیش روی صنعت هوانوردی قرار می‌دهد. به زودی دو پروژه سامانه ماهواره‌ای جدید توسط اتحادیه اروپا و چین تکمیل می‌شود. سامانه ماهواره‌ای اروپا با نام گالیله که با همکاری تعدادی از کشورهای اروپایی اجرا شده و سامانه ناوبری ماهواره‌ای BeiDou چین (BDS) که در سال 2020 با ارسال آخرین ماهواره به مدار نهایی خواهد شد. به لطف معرفی این دو سامانه پیشرفته، تعداد مجموعه‌ ماهواره‌ای مستقل موجود در جهان افزایش یافته و بدین ترتیب قابلیت اطمینان و استحکام GNSS بیشتر خواهد شد.

یک قابلیت ویژه سامانه‌های گالیله و BeiDou استفاده از دو باند فرکانسی مجزا (Dual Band) است که باعث افزایش دقت مکان‌‌یابی گیرنده‌ها می‌شود. این در حالی است که سامانه‌های GPS و GLONASS نیز به دنبال استفاده از این قابلیت در شبکه‌های ماهواره‌ای خود هستند. گروه سیستم‌های ناوبری ایکائو (NSP) در حال حاضر به دنبال توسعه استانداردهایی برای این نسل جدید GNSS هستند که در آن هر سیستم گیرنده، در صورت در دسترس بودن سیگنال، از چند شبکه ماهواره‌ای و استفاده از باند‌های فرکانسی دوگانه، عملیات مکان‌یابی خود را انجام دهند. این مفهوم با نام «فرکانس دوگانه، مجموعه ماهواره‌ای چندگانه» (^[3]DFMC) توسط ایکائو در حال توسعه است.

فناوری DFMC GNSS منجر به افزایش کارایی و استحکام مکان‌یابی ماهواره‌ای خواهد شد و به دنبال آن دستیابی به مزایای عملیاتی اضافی و بهینه‌سازی زیرساخت‌های ناوبری ممکن می‌شود. اما مشابه با زمان معرفی GNSS در سال 1991، برای معرفی DFMC GNSS نیز باید با برخی از موانع سازمانی و فنی مقابله کرد. در این شرایط ایکائو مثل آن زمان در تلاش است تا با ایجاد یک اتحاد بین جامعه هوانوردی، ضمن بیان مزایای استفاده از این فناوری، کشورها و بازیگران صنعت هوانوردی را متقاعد به بهره‌گیری از آن کند.

تهدیدها علیه GNSS

در طی 75 سال فعالیت ایکائو (سازمان بین‌المللی هوانوردی غیرنظامی)، کارشناسان این سازمان موفق به انتشار استانداردهای مختلفی در بخش‌های ارتباطات، ناوبری و نظارت (CNS) شده‌اند. این استانداردها که اغلب با استانداردهای دقیق‌تری از سوی صنعت همراه می‌شوند، توانسته‌اند خدمات ایمن و متقابلی بین هواپیماها و سیستم‌های پشتیبانی زمینی و فضایی ایجاد کنند. عنصر اصلی ایمنی در این استانداردها، باز بودن آنهاست؛ به گونه‌ای که تولیدکنندگان تجهیزات کاملا از خصوصیات لازم برای یک سیستم که عملکرد آن را در سراسر دنیا یکنواخت است، آگاه هستند. با این وجود دسترسی آسان به این استانداردها به این معناست که هر کسی می‌تواند خصوصیات سیستم را بدست آورده و از نقاط آسیب‌پذیر آن سوء استفاده کند. بنابراین می‌توان گفت کاهش نقاط آسیب‌پذیر سیستم‌ها یکی از چالش‌های اساسی است.

با توجه به اینکه راهکارهای GNSS به‌طور مستقیم تحت کنترل صنعت هوایی نیست و تهدیدهای متفاوتی برای ایجاد اختلال در آن وجود دارد، ایکائو و کشورهای عضو تشخیص داده‌اند که حضور سیستم‌های CNS جایگزین ضروری است. در دوازدهمین کنفرانس ناوبری هوایی از ایکائو خواسته شد به دنبال راهکارهایی برای یک سیستم مکان‌یابی، ناوبری و زمان‌سنجی جایگزین (^[4]A-PNT) باشد. ایکائو تاکید دارد با وجود اینکه GNSS درحال تحول از یک راهکار تکمیلی به یک راهکار اصلی ناوبری است، اما سیستم‌های کمک ناوبری زمینی (DME، VOR و ILS) همچنان به عنوان راهکار کوتاه مدت A-PNT و «حداقل شبکه عملیاتی» مستقر باشند تا در هنگام عدم دسترسی به GNSS، ایمنی حفظ شود.

‌

تعداد گزارش‌های اعلام شده از قطعی سیگنال GPS در منطقه اروپا که توسط پایگاه داده گزارش‌های داوطلبانه سوانح ATM یوروکنترل (EVAIR^[5]) منتشر شده است.

ایکائو در نسخه سال 2017 سند 9849 بخشی با عنوان «طرح کاهش تداخلات فرکانس رادیویی برای GNSS» را افزوده است. تداخلات فرکانس رادیویی (RFI) را می‌توان از مهم‌ترین تهدیدها علیه سیستم‌های GNSS درنظر گرفت. کدگذاری پیشرفته در سیگنال‌ها سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای باعث شده است تا احتمال عدم دسترسی به سیگنال به سبب تداخلات غیرعمدی سایر دستگاه‌های رادیویی کاهش یابد. اما تهدید بالقوه دیگر، دستکاری عمدی سیگنال‌ها توسط یک منبع غیرمجاز است که با عنوان Spoofing یا دستکاری سیگنال شناخته می‌شود. مطابق تعریف‌هایی که ارائه می‌شود، دستکاری سیگنال را می‌توان در دسته‌بندی تداخلات رادیویی و در کنار جمینگ قرار داد، هر چند بین آن و جمینگ تفاوت‌هایی وجود دارد.

Spoofing یا دستکاری سیگنال GPS به منظور ایجاد اشتباه در مکان‌یابی و هدایت یک هدف

کاهش Spoofing

تا چند سال قبل سیاست هوانوردی غیرنظامی در مقابل دستکاری سیگنال GNSS بسیار ساده بود: «این مشکل ما نیست». در واقع Spoofing یک قابلیت پیشرفته در مباحث نظامی بود و در محدوده فعالیت هوانوردی عمومی قرار نمی‌گرفت. اما به دنبال برخی حوادث مثل اتفاقی که در فرودگاه هانوفر رخ داد، مقامات ذی‌صلاح به دنبال راهکاهایی برای کاهش احتمال Spoofing افتادند. در سال 2012 یک تکرارکننده GPS موجود در آشیانه هواپیماها باعث شد تا تعداد زیادی از هواپیماها در هنگام برخاستن یا فرود با هشدار Pull-Up مواجه شوند. این تکرارکننده وظیفه ارائه سیگنال‌های GNSS به هواپیماهای داخل آشیانه را داشت. مشکل ایجاد شده به این دلیل بود که درب‌های آشیانه در حالی که تکرارکننده روشن بوده است به‌طور موقت باز مانده و هواپیماهای داخل یا اطراف فرودگاه، سیگنال آن را دریافت کرده‌اند.

بروز یک حادثه در فرودگاه هانوفر به دلیل دریافت سیگنال‌های تکرارکننده GPS یک آشیانه توسط هواپیماهای داخل و اطراف فرودگاه

بنابراین با وجود فناوری‌های منسوخ و هزینه‌های بالای سیستم‌های قدیمی ناوبری رادیویی، می‌توان از آن‌ها به عنوان یک پشتیبان قابل اعتماد در شرایط عدم دسترسی به سیگنال‌های صحیح GNSS یاد کرد. با این حال بسنده کردن به سیستم‌های پشتیبان برای GNSS نمی‌تواند رویکرد مناسبی برای بلند مدت باشد و لازم است راهکارهایی برای مقابله با تهدیدها درنظر گرفته شود. در این راستا توافق‌هایی بین ایکائو، RTCA (کمیسیون فنی رادیویی در هوانوردی) و EUROCAE (سازمان اروپایی تجهیزات هوانوردی غیرنظامی) انجام شده است تا قابلیت اطمینان تجهیزات اویونیک نسل آینده GNSS افزایش یافته و در مقابل جمینگ و Spoofing مقاوم‌تر باشند.

تضمین صد درصدی ایمنی و امنیت تنها با توقف کامل پروازها امکان‌پذیر است. بنابراین همیشه هنگام عملیات یک هواپیما، خطرات امنیتی همچون دستکاری در سیگنال‌های GNSS باقی خواهد ماند. اما این سوال مطرح می‌شود که چه مقدار از خطر قابل قبول خواهد بود؟

در صنعت هوایی برای ارزیابی ایمنی از یک ماتریس ارزیابی ریسک استفاده می‌شود (شکل زیر). بالاترین اولویت برای کاهش ریسک مربوط به مواردی است که هم دارای احتمال بروز بیشتر و هم شدت تاثیرگذاری بالاتری هستند. به عبارتی اگر یک سناریوی تهدید خاص در عین حال که می‌تواند تاثیر شدیدی روی ایمنی سیستم داشته باشد، به راحتی به وقوع بپیوندد، دیر یا زود ممکن است به صورت غیر عمدی یا عمدی توسط یک فرد یا سازمان انجام شود. بنابراین در ماتریس ارزیابی ریسک، سعی می‌شود هیچگونه سناریوی تهدیدی در خانه‌های قرمز رنگ قرار نگیرد.

ماتریس ارزیابی ریسک ایکائو

تیم‌های متخصص ارزیابی ریسک، تمام تهدیدهای احتمالی را بررسی کرده و ارزیابی می‌کنند که چه موانعی می‌تواند باعث کاهش تهدیدها شود. در این میان اصل مهم محدودکردن «احتمال موفقیت» یک حمله است.

البته کارشناسان باید روی تهدیدهایی با احتمال کم نیز تمرکز داشته باشند، زیرا مردم همیشه کارهای غیرمنتظره‌ای انجام می‌دهند. این درحالی است که شاید از نتیجه کار خود اطلاع دقیقی نداشته باشند. به عنوان مثال می‌توان به نشانگرهای لیزری قدرتمند اشاره کرد که بعضی از افراد بدون درک خطرات احتمالی، آن را به سمت خدمه یک هواپیمای در حال پرواز نشانه می‌گیرند. شاید عجیب باشد، اما در سال 2018 بیش از 5 هزار گزارش مشاهده لیزر توسط خلبانان اعلام شده است. اما باید پذیرفت خرید یک نشانگر لیزری بسیار آسان است و به همین ترتیب تهیه یک برد Spoofer به‌صورت آنلاین می‌تواند ساده باشد.

در برخی موارد، کاهش یا حذف تهدیدها می‌تواند به‌طور شگفت‌آوری ابتکاری باشد. یک مورد دیگر که اخیرا در نزدیکی یکی از فرودگاه‌های بزرگ اروپا رخ داد، فردی خود را به جای کنترلر ترافیک هوایی قرار داده و با استفاده از یک بی‌سیم دستی VHF با هواپیماها در مرحله اپروچ صحبت می‌کند. در طی چند هفته ردیابی فرد و عدم موفقیت، یک راه‌حل خلاقانه ارائه شد. از آنجا که معمولا این نوع کارها توسط مردها انجام می‌شود، در بخش اپروچ تنها از کنترلرهای زن استفاده شد و از خلبانان درخواست شد تنها با اپراتورهای خانم صحبت شود.

یک دستگاه ارزان قیمت خودرویی برای ایجاد اختلال در شبکه GPS با توان 0.5w که به راحتی از اینترنت قابل تهیه است.

بنابراین وقتی قرار است در مورد کاهش Spoofing در نسل آینده گیرنده‌های GNSS در حوزه هوانوردی صحبت شود، باید برخی از محدودیت‌های ذاتی پذیرفته شود:

• سرعت تحول و توسعه تهدیدهای Spoofing بسیار بالا است. این در حالی است که سیستم‌های اویونیک یک هواپیما در طول عمر 20 تا 30 ساله آن ممکن است ارتقاء چندانی نداشته باشد و راهکارهای ضد Spoofing در سیستم GNSS آن خیلی زود قدیمی شوند.
• اقدامات امنیتی مشمول محدودیت‌های هزینه هستند. به عنوان مثال، نصب آنتن‌هایی با پرتو کنترل‌شده (^[6]CRPA) به دلیل پیچیدگی طراحی و اعمال یک Drag اضافی به هواپیما که منجر به مصرف سوخت بیشتر می‌شود، نمی‌تواند گزینه‌ای واقعی برای هواپیماهای غیرنظامی باشد.
• هرگونه اقدامات اتخاذ شده نباید موجب ایجاد تهدیدهای اضافی شود. یک مثال خوب از این موضوع تقویت درب‌های دسترسی به کابین خلبان پس از حوادث 11 سپتامبر است. این مورد نقش مهمی در سقوط پرواز Germanwings 9525 در سال 2015 ایفا کرده است.

بطور کلی راهکارها باید ایمن، در دسترس همه و قابل اجرا در سراسر جهان باشد.

یکی از راهکارهای ساده برای جلوگیری از Spoofing استفاده از سیستم‌های ترکیبی GNSS و INS (سیستم‌ ناوبری مبتنی بر اینرسی) است. این راهکار به سیستم‌های اویونیک هواپیما این امکان را می‌دهد که وجود خطا در اطلاعات ناوبری GNSS را تشخیص داده و از بهره‌برداری این اطلاعات جلوگیری کند. هر چند این روش می‌تواند از خیلی موارد دستکاری سیگنال جلوگیری کند، اما نمی‌توان آن را یک راهکار مناسب برای مراحل اپروچ و فرود هواپیما در نظر گرفت. البته باید اشاره کرد که این روش مستلزم نصب تجهیزات اضافی در هواپیماها است.

یکی دیگر از راهکارهای ارائه شده استفاده از مکانیزم‌های احراز هویت است. در این روش سیستم‌های تقویتی GNSS همچون GBAS و ABAS از کد‌های عمومی و خصوصی برای شناسایی و تایید هویت یکدیگر استفاده کرده و در صورت احراز هویت، سرویس‌دهی انجام می‌شود. این راهکار در حال حاضر مد نظر FAA است، اما باید توجه کرد که مستلزم برخی بروزرسانی‌ها در سیستم اویونیک هواپیماها است.

برخی راهکارها نیز در مورد آنتن‌های GNSS ارائه شده است. به عنوان مثال بسیاری از کارشناسان استفاده از دو یا چند آنتن را پیشنهاد می‌دهند که در آن با بهره‌گیری از الگوریتم‌های مقایسه زاویه ورود سیگنال به آنتن‌ها، می‌توان تشابه منبع دو سیگنال را تایید کرد.

استفاده از دو آنتن روی هواپیما و بهره‌گیری از الگوریتم‌های مقایسه زاویه ورود سیگنال برای حذف Spoofing

مسئله کاهش اثرات Spoofing سیگنال‌های GNSS همچنان جزء مباحث چالش برانگیز در سطح صنعت هوانوردی بوده و سالانه مقالات زیادی از سوی مراکز دانشگاهی و صنعتی برای آن ارائه می‌شود. باید منتظر بود که چه راهکار یا راهکارهایی توسط ایکائو مورد تایید قرار گرفته و به اجرا در خواهد آمد.

[1] Standards and Recommended Practices

[2] Performance-Based Navigation

[3] Dual-Frequency, Multi-Constellation

[4] Alternative Position, Navigation and Timing

[5] EUROCONTROL Voluntary ATM Incident Reporting

[6] Controlled Radiation Pattern Antennas