Pulsar - американская глобальная низкоорбитальная навигационная спутниковая система

[Veganin]

https://www.technologyreview.com/2025/06/06/1117978/inside-the-race-to-find-gps-alternatives/

Inside the race to find GPS alternatives
By Tereza Pultarova June 6, 2025

Внутри гонки за альтернативы GPS

Стартап Xona Space Systems надеется предоставить неподдающуюся подделке альтернативу все более уязвимой системе GPS


Workers in a clean room assemble the satellite
Xona Space System's first production-class satellite was assembled and tested by their partners at Aerospacelab.

Машперевод

Позже в этом месяце неприметный 150-килограммовый спутник будет запущен в космос на борту миссии SpaceX Transporter 14. На орбите он испытает сверхточную технологию спутниковой навигации следующего поколения, призванную компенсировать недостатки глобальной системы позиционирования США (GPS).

Спутник является первым из запланированного созвездия под названием Pulsar, которое разрабатывается калифорнийской компанией Xona Space Systems. Компания в конечном итоге планирует иметь созвездие из 258 спутников на низкой околоземной орбите. Хотя эти спутники будут работать во многом так же, как те, которые используются для создания GPS, они будут вращаться на орбите примерно на 12 000 миль ближе к поверхности Земли, излучая гораздо более сильный сигнал, который точнее и сложнее подавить.

«Просто из-за этого более короткого расстояния мы будем подавать сигналы, которые будут примерно в сто раз сильнее сигнала GPS», — говорит Тайлер Рид, главный технический директор и соучредитель Xona. «Это означает, что радиус действия глушилок будет намного меньше по отношению к нашей системе, но мы также сможем проникать глубже в помещения, проникая через несколько стен».

Система спутниковой навигации 21 века

Первая система GPS была запущена в 1993 году. За прошедшие десятилетия она стала одной из основополагающих технологий, от которых зависит мир. Сигналы точного позиционирования, навигации и синхронизации (PNT), передаваемые ее спутниками, лежат в основе гораздо большего, чем Google Maps в вашем телефоне. Они направляют буровые головки на морских нефтяных платформах, фиксируют время финансовых транзакций и помогают синхронизировать электросети по всему миру.

Но, несмотря на незаменимую природу системы, сигнал GPS легко подавляется или прерывается всем, от космической погоды до вышек сотовой связи 5G и глушилок размером с телефон стоимостью в несколько десятков долларов. Эксперты годами шепчутся об этой проблеме , но она действительно вышла на первый план в последние три года, с тех пор как Россия вторглась в Украину. Бум в войне с использованием беспилотников, который стал характерной чертой этой войны, также спровоцировал гонку за разработкой технологий для предотвращения атак беспилотников путем глушения сигналов GPS, необходимых им для навигации, или подделки сигнала, создавая убедительные, но поддельные данные о местоположении.

Основная проблема — это расстояние: созвездие GPS, состоящее из 24 спутников и нескольких запасных, вращается на высоте 12 550 миль (20 200 километров) над Землей в области, известной как средняя околоземная орбита. К тому времени, как их сигналы дойдут до наземных приемников, они будут настолько слабыми, что их легко могут заглушить глушилки.

Другие существующие группировки спутников Глобальной навигационной спутниковой системы, такие как европейская Galileo, российская ГЛОНАСС и китайская Beidou, имеют схожую архитектуру и сталкиваются с теми же проблемами.

Но когда Рид и соучредитель Брайан Мэннинг основали Xona Space Systems в 2019 году, они не думали о глушении и обмане. Их целью было подготовить автономное вождение к прайм-тайму.

Десятки беспилотных автомобилей Uber и Waymo уже курсировали по американским автострадам в то время, оснащенные дорогими наборами датчиков, такими как камеры высокого разрешения и лидары. Инженеры решили, что более точная спутниковая навигационная система может снизить потребность в этих датчиках, что позволит создать безопасное автономное транспортное средство, достаточно доступное для того, чтобы стать мейнстримом. Однажды автомобили даже смогут обмениваться данными о своем местоположении друг с другом, говорит Рид. Но они знали, что GPS далеко не достаточно точна, чтобы удерживать беспилотные автомобили в пределах линий полосы движения и вдали от других объектов на дороге. Это особенно актуально в густонаселенных городских условиях, где существует много возможностей для отражения сигналов от стен, что приводит к ошибкам.

«GPS обладает суперсилой, поскольку является вездесущей системой, которая работает одинаково в любой точке мира», — говорит Рид. «Но эта система была разработана в первую очередь для поддержки военных миссий, фактически для того, чтобы они могли сбросить пять бомб в одну воронку. Но этой точности на уровне метра недостаточно, чтобы направлять машины туда, куда им нужно, и безопасно делить это физическое пространство с людьми».

Рид и Мэннинг начали думать о том, как создать космическую систему PNT, которая будет делать то же, что и GPS, но лучше, с точностью до трех дюймов (10 сантиметров) или меньше и невероятной надежностью в самых разных сложных условиях.

Самый простой способ сделать это — приблизить спутники к Земле, чтобы данные достигали приемников в режиме реального времени без задержек, вызывающих неточность. Более сильный сигнал спутников на низкой околоземной орбите более устойчив к помехам любого рода.

Когда GPS был задуман, ничего из этого не было возможно. Созвездия на низкой околоземной орбите — на высоте до 1200 миль (2000 км) — требуют сотен спутников для обеспечения постоянного покрытия всего земного шара. Долгое время космические технологии были слишком громоздкими и дорогими, чтобы сделать такие большие созвездия жизнеспособными. Однако за последнее десятилетие меньшая электроника и более низкие затраты на запуск изменили уравнение.

«В 2019 году, когда мы начинали, экосистема низкой околоземной орбиты действительно бурно развивалась», — говорит Рид. «Мы могли наблюдать взлет таких проектов, как Starlink, OneWeb и другие созвездия».

Вопрос срочности

За несколько лет с момента запуска Xona опасения относительно уязвимости GPS начали расти на фоне растущей геополитической напряженности. В результате поиск надежной замены стал вопросом стратегической важности.

В частности, на Украине глушение и спуфинг GPS стали настолько распространенными, что ценные высокоточные боеприпасы США, такие как High Mobility Artillery Rocket System, фактически стали слепыми. Создателям дронов с видом от первого лица, которые стали символом войны, пришлось переориентироваться на автономную навигацию на основе ИИ, чтобы удержать эти дроны в игре.

Проблема быстро вышла за пределы Украины. Страны, граничащие с Россией, такие как Финляндия и Эстония, жаловались на то, что растущая распространенность глушения и спуфинга GPS влияет на коммерческие рейсы и суда в регионе.

Однако Клеманс Пуарье, исследователь космической безопасности в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, утверждает, что проблема сбоев в работе GPS не ограничивается близостью к зонам боевых действий.

«Базовые глушилки очень дешевы и легкодоступны для всех в сети», — говорит Пуарье. «Даже с самыми простыми, которые могут быть размером с ваш телефон, вы можете нарушить сигналы GPS в радиусе ста и более метров».

В 2013 году водитель грузовика, использовавший такое устройство, чтобы скрыть свое местоположение от начальника, случайно нарушил работу GPS-сигналов в районе аэропорта Ньюарк в Нью-Джерси. В 2022 году международный аэропорт Даллас-Форт-Уэрт сообщил о 24-часовом отключении GPS, что привело к временному закрытию одной из его взлетно-посадочных полос. Источник помех так и не был установлен. В том же году в международном аэропорту Денвера произошло 33-часовое отключение GPS.
 
Гонка за обеспечение PNT

«Xona — это многообещающее решение для повышения устойчивости критических инфраструктур, зависящих от GPS, и снижения угрозы глушения и спуфинга GPS», — говорит Пуарье. Но, добавляет она, «волшебной палочки» не существует, и для решения проблемы «потребуется множество различных подходов».

И действительно, Xona — не единственная компания, которая надеется предоставить резервную копию для незаменимого, но все более уязвимого GPS. Такие компании, как Anello Photonics, базирующаяся в Санта-Клэр, Калифорния, и Advanced Navigation из Сиднея, тестируют наземные решения: инерциальные навигационные устройства, которые достаточно малы и доступны по цене для использования за пределами высококлассных военных технологий. Эти системы используют гироскопы и акселерометры для определения положения транспортного средства по его собственным движениям.

И Xona может иметь некоторую космическую конкуренцию. TrustPoint из Вирджинии в настоящее время собирает средства на создание собственной низкоорбитальной группировки PNT, и некоторые предполагают, что сигналы от Starlink от SpaceX могут быть повторно использованы для предоставления услуг PNT.

Xona надеется закрепиться на рынке, разработав свой сигнал, совместимый с сигналом GPS, что позволит производителям GPS-приемников легко интегрировать новую группировку в существующие технологии.

Хотя для запуска всей группировки потребуется как минимум 2030 год, Рид утверждает, что система Xona станет ценным дополнением к существующей инфраструктуре GPS, как только 16 ее спутников выйдут на орбиту.

Предстоящий запуск состоится через три года после демонстрационной миссии, известной как Huginn, которая проверила основы технологии. Новый спутник, названный Pulsar-0, будет использоваться для проверки того, насколько хорошо система может противостоять глушению или спуфингу.

В следующем году Xona планирует запустить еще четыре космических аппарата и надеется развернуть большую часть спутниковой группировки к 2030 году.

[свернуть]

Later this month, an inconspicuous 150-kilogram satellite is set to launch into space aboard the SpaceX Transporter 14 mission. Once in orbit, it will test super-accurate next-generation satnav technology designed to make up for the shortcomings of the US Global Positioning System (GPS).

The satellite is the first of a planned constellation called Pulsar, which is being developed by California-based Xona Space Systems. The company ultimately plans to have a constellation of 258 satellites in low Earth orbit. Although these satellites will operate much like those used to create GPS, they will orbit about 12,000 miles closer to Earth's surface, beaming down a much stronger signal that's more accurate—and harder to jam.

"Just because of this shorter distance, we will put down signals that will be approximately a hundred times stronger than the GPS signal," says Tyler Reid, chief technology officer and cofounder of Xona. "That means the reach of jammers will be much smaller against our system, but we will also be able to reach deeper into indoor locations, penetrating through multiple walls."

A satnav system for the 21st century

The first GPS system went live in 1993. In the decades since, it has become one of the foundational technologies that the world depends on. The precise positioning, navigation, and timing (PNT) signals beamed by its  satellites underpin much more than Google Maps in your phone. They guide drill heads at offshore oil rigs, time-stamp financial transactions, and help sync power grids all over the world.

But despite the system's indispensable nature, the GPS signal is easily suppressed or disrupted by everything from space weather to 5G cell towers to phone-size jammers worth a few tens of dollars. The problem has been whispered about among experts for years, but it has really come to the fore in the last three years, since Russia invaded Ukraine. The boom in drone warfare that came to characterize that war also triggered a race to develop technology for thwarting drone attacks by jamming the GPS signals they need to navigate—or spoofing the signal, creating convincing but fake positioning data.

The crucial problem is one of distance: The GPS constellation, which consists of 24 satellites plus a handful of spares, orbits 12,550 miles (20,200 kilometers) above Earth, in a region known as medium Earth orbit. By the time their signals get all the way down to ground-based receivers, they are so faint that they can easily be overridden by jammers.

Other existing Global Navigation Satellite System constellations, such as Europe's Galileo, Russia's GLONASS, and China's Beidou, have similar architectures and experience the same problems.

But when Reid and cofounder Brian Manning founded Xona Space Systems in 2019, they didn't think about jamming and spoofing. Their goal was to make autonomous driving ready for prime time.
 

Xona Space System's completed Pulsar-0 satellite is launching this June.

Dozens of robocars from Uber and Waymo were already cruising American freeways at that time, equipped with expensive suites of sensors like high-resolution cameras and lidar. The engineers figured a more precise satellite navigation system could reduce the need for those sensors, making it possible to create a safe autonomous vehicle affordable enough to go mainstream. One day, cars might even be able to share their positioning data with one another, Reid says. But they knew that GPS was nowhere near accurate enough to keep self-driving cars within the lane lines and away from other objects on the road. That is especially true in densely built-up urban environments that provide many chances for signals to bounce off walls, creating errors.

"GPS has the superpower of being a ubiquitous system that works the same anywhere in the world," Reid says. "But it's a system that was designed primarily to support military missions, virtually to enable them to drop five bombs in the same bowl. But this meter-level accuracy is not enough to guide machines where they need to go and share that physical space with humans safely."

Reid and Manning began to think about how to build a space-based PNT system that would do what GPS does but better, with accuracy of three inches (10 centimeters) or less and ironclad reliability in all sorts of challenging conditions.

The easiest way to do that is to bring the satellites closer to Earth so that data reaches receivers in real time without inaccuracy-causing delays. The stronger signal of satellites in low Earth orbit is more resistant to disruptions of all sorts.

When GPS was conceived, none of that was possible. Constellations in low Earth orbit—altitudes up to 1,200 miles (2,000 km)—require hundreds of satellites to provide constant coverage over the entire globe. For a long time, space technology was too bulky and expensive to make such large constellations viable. Over the past decade, however, smaller electronics and lower launch costs have changed the equation.

"In 2019, when we started, the ecosystem of low Earth orbit was really exploding," Reid says. "We could see things like Starlink, OneWeb, and other constellations take off."

Matter of urgency

In the few years since Xona launched, concerns about GPS's vulnerability have begun to grow amid rising geopolitical tensions. As a result, finding a reliable replacement has become a matter of strategic importance.

In Ukraine especially, GPS jamming and spoofing have become so common that prized US precision munitions such as the High Mobility Artillery Rocket System became effectively blind. Makers of first-person-view drones, which came to symbolize the war, had to refocus on AI-driven autonomous navigation to keep those drones in the game.

The problem quickly spilled beyond Ukraine. Countries bordering Russia, such as Finland and Estonia, complained that the increasing prevalence of GPS jamming and spoofing was affecting commercial flights and ships in the region.

But Clémence Poirier, a space security researcher at ETH Zurich, says that the problem of GPS disruption isn't limited to the vicinity of war zones.

"Basic jammers are very cheap and super easily accessible to everyone online," Poirier says. "Even with the simplest ones, which can be the size of your phone, you can disrupt GPS signals in [an] area of a hundred or more meters."

In 2013, a truck driver using such a device to conceal his location from his boss accidently disrupted GPS signals around the Newark airport in New Jersey. In 2022, the Dallas Fort Worth International Airport reported a 24-hour GPS outage, which prompted a temporary closure of one of its runways. The source of the interference was never identified. That same year, Denver International Airport experienced a 33-hour GPS disruption.

Race to securing PNT

"Xona is a promising solution to enhance the resilience of GPS-dependent critical infrastructures and mitigate the threat of GPS jamming and spoofing," Poirier says. But, she adds, there is no "magic wand," and a "variety of different approaches will be needed" to solve the problem.

And indeed, Xona is not the only company hoping to provide a backup for the indispensable yet increasingly vulnerable GPS. Companies such as Anello Photonics, based in Santa Clara, California, and Sydney-based Advanced Navigation are testing terrestrial solutions: inertial navigation devices that are small and affordable enough for use beyond high-end military tech. These systems rely on gyroscopes and accelerometers to deduce a vehicle's position from its own motions.

When integrated into PNT receivers, these technologies can help detect GPS spoofing and take over for the duration of the interference. Inertial navigation has been around for decades, but recent advances in photonic technologies and microelectromechanical systems have brought it into the mainstream.

The French aerospace and defense conglomerate Safran is developing a system that distributes PNT data via  optical-fiber networks, which form the backbone of the global internet infrastructure. But the allure of space remains strong: The ability to reach any place at any time is what turned GPS from an obscure military system into a piece of taken-for-granted infrastructure that most people today can hardly live without.

And Xona could have some space-based competition. Virginia-based TrustPoint is currently raising funds to build its own low-Earth-orbit PNT constellation, and some have proposed that signals from SpaceX's Starlink could be repurposed to provide PNT services as well.

Xona hopes to secure its spot in the market by designing its signal to be compatible with that of GPS, allowing manufacturers of GPS receivers to easily slot the new constellation into existing tech.

Although it will take at least until 2030 for the entire constellation to be up and running, Reid says Xona's system will provide a valuable addition to the existing GPS infrastructure as soon as 16 of its satellites are in orbit.

The upcoming launch comes three years after a demonstration mission known as Huginn tested the basics of the technology. The new satellite, called Pulsar-0, will be used to see how well the system can resist jamming or spoofing.

Xona plans to launch an additional four spacecraft next year and hopes to have most of the constellation deployed by 2030.