Was würde die Welt ohne GPS tun?

Satelliten navigations systeme halten unsere Welt auf eine Weise am Laufen, die viele Menschen kaum erkennen, aber sie sind auch zunehmend anfällig. Was könnten wir stattdessen verwenden?

Als die Satelliten navigation im vergangenen Jahr auf dem israelischen Flughafen Ben Gurion blockiert war, verhinderte nur das Können der Fluglotsen schwere Unfälle. Die Störung war anscheinend zufällig und hatte ihren Ursprung in den in Syrien kämpfenden russischen Streitkräften. Sie zeigte jedoch, wie gefährlich Unterbrechungen des globalen Ortungssystems - besser bekannt als GPS - sein können.

"Es wird zunehmend anerkannt, dass GPS geschützt, verschärft und erweitert werden muss", sagt Todd Humphreys, Kommunikationsingenieur an der University of Texas in Austin. GPS untermauert jetzt einen überraschenden Teil unseres Alltags. In seiner einfachsten Form sagt es uns, wo auf der Erde sich zu jeder Zeit ein GPS-Empfänger befindet. Wir haben sie in unseren Handys und Autos. Sie ermöglichen es Booten, sich wie ein moderner Leuchtturm durch schwierige Kanäle und Riffe zu bewegen. Rettungsdienste verlassen sich jetzt auf GPS, um die in Not geratenen Personen zu lokalisieren.

Weniger offensichtlich würden Häfen nicht mehr funktionieren, da ihre Krane GPS benötigen, um den richtigen Container für die Bewegung zu finden, und sie spielen eine entscheidende Rolle in der Logistik, sodass Autohersteller und Supermärkte Just-in-Time-Liefersysteme nutzen können. Ohne sie wären unsere Supermarktregale leerer und die Preise höher.

Die Bauindustrie verwendet GPS bei Vermessungen und Fischer verwenden es, um strenge Vorschriften einzuhalten. Bei GPS geht es jedoch nicht nur um die Identifizierung von Standorten, sondern auch um die Zeit.

Die Konstellation von 30 Satelliten, die sich in einer Umlaufbahn um die Erde befinden, verwendet mehrere extrem präzise Atomuhren, um ihre Signale zu synchronisieren. Mit ihnen können Benutzer die Zeit auf 100 Milliardstel Sekunden genau bestimmen. Mobilfunknetze verwenden alle GPS-Zeit, um ihre Basisstationen zu synchronisieren, während Finanz- und Bankinstitute darauf angewiesen sind, um sicherzustellen, dass Trades und Transfers korrekt ablaufen.

Ohne Satelliten navigation wären wir wirklich verloren. Aber gibt es irgendetwas da draußen, das es ersetzen könnte? Und wie könnten wir ohne dieses allgegenwärtige System auskommen?

Ein Verlust der Satelliten navigation für fünf Tage würde allein Großbritannien nach einer Einschätzung der London School of Economics für die britische Regierung mehr als 5,1 Mrd. GBP (6,5 Mrd. USD) kosten. Ein Ausfall des GPS-Systems würde die US-Wirtschaft außerdem schätzungsweise 1 Mrd. USD (760 Mio. GBP) pro Tag und bis zu 1,5 Mrd. USD (1,1 Mrd. GBP) pro Tag kosten, wenn dies während der Pflanzsaison für Landwirte im April und Mai der Fall wäre.

Aber GPS-Ausfälle sind überraschend häufig - das Militär blockiert sie regelmäßig in bestimmten Bereichen, während es Geräte testet oder militärische Übungen durchführt. Die US-Regierung führt auch regelmäßig Tests und Übungen durch, die zu einer Störung des Satellitensignals führen, aber auch einige technische Probleme führen zu weltweiten Problemen.

Es gibt natürlich auch andere globale Navigations satelliten systeme - das russische Glonass, das europäische Galileo und das chinesische BeiDou arbeiten alle auf einer ähnlichen Basis wie GPS. Zunehmend können Interferenzen oder absichtliche Störungen auch zu Unterbrechungen der Signale von Satellitenortungssystemen führen.

"Das Militär stößt jetzt ziemlich häufig auf Störungen", sagt Charley Curry, Fellow des Royal Institute of Navigation und Gründer von Chronos Technology, das auf diesem Gebiet tätig ist.

Das Militär hat besonders gute Gründe, sich Sorgen zu machen. Die Satelliten navigation wurde ursprünglich vom Pentagon entwickelt und führt jetzt alles von strategischen Drohnen und Kriegsschiffen bis hin zu einzelnen intelligenten Bomben und Fußsoldaten. Und es ist in Gefahr.

Ein massiver Sonnensturm wie der Carrington Event von 1859 könnte das gesamte GPS-Satellitennetzwerk zum Erliegen bringen

Kriminelle verwenden auch GPS-Störsender, die einfach online gekauft werden können, um die Systeme zu verfolgen, mit denen gestohlene Autos verfolgt werden, ohne sich darum zu kümmern, wer in der Umgebung noch betroffen ist. Und es gibt größere Gefahren.

"Es besteht auch die entfernte Gefahr, dass die gesamte GPS-Konstellation in der ersten Salve eines Krieges gegen die US-Wirtschaft durch Angriffe auf kritische Infrastrukturen außer Betrieb gesetzt wird", sagt Humphreys.

Naturkräfte könnten ähnlich katastrophal sein. Ein massiver Sonnensturm wie der Carrington Event von 1859 könnte das gesamte GPS-Satellitennetz so sicher zum Erliegen bringen wie ein Militärschlag.

Aber wenn GPS und seine internationalen Cousins ​​plötzlich verschwinden würden - welche Alternativen könnten wir nutzen, um unsere ganze Welt in Bewegung zu halten?

Ein mögliches Backup für GPS ist eine neue Version von Long Range Navigation (Loran), die während des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurde, um alliierte Schiffe beim Überqueren des Atlantiks zu führen. Anstelle von Satelliten bestand es jedoch aus bodengestützten Sendern mit 200 Meter hohen Luftmasten, die Funknavigationssignale sendeten.

Anfangs war Loran nur auf wenige Meilen genau, aber in den 1970er Jahren konnte er einen Standort innerhalb weniger hundert Meter angeben. Großbritannien und andere Länder haben ihre Loran-Sender in den 2000er Jahren außer Betrieb genommen, als GPS sie überflüssig machte. Eine moderne, erweiterte Version namens eLoran könnte jedoch genauso genau sein wie GPS. Es verwendet fortschrittlichere Sender und Empfänger als die Originalversion sowie eine als Differenzialkorrektur bekannte Technik, bei der das Signal von Referenzstationen überwacht und korrigiert wird, um seine Genauigkeit zu verbessern.

Diese erweiterte Version ist Berichten zufolge in der Lage, Standorte mit einer Genauigkeit von weniger als 10 m (32 Fuß) zu lokalisieren. Im Gegensatz zu GPS kann es auch Gebäude und Tunnel durchdringen - vor allem, weil es eine niedrigere Frequenz und eine höhere Leistung als Satellitensignale verwendet. Die leistungsstarken eLoran-Signale sind viel schwerer zu stören und es gibt keine anfälligen Satelliten. Aber jemand müsste es finanzieren.

"ELoran ist eine großartige Technologie, die landesweite Lücken schließen könnte", sagt Humphreys und fügt hinzu, "wenn es eine Verpflichtung zur Einrichtung und Wartung gibt".

Andere Ansätze erfordern keine zusätzliche Infrastruktur. Lange vor dem Radio navigierten die Seeleute mit Hilfe der Sonne und der Sterne und verwendeten einen Sextanten, um die Winkel zwischen ihnen zu messen. Die Himmelsnavigation setzte sich bis in die Moderne fort. Und überraschenderweise verwenden ballistische Raketen wie Trident während des Fluges immer noch Astro-Navigation. Durch die Verwendung von Fixes von Sternen ist es möglich, einen Ort auf der Erde auf ungefähr tausend Meter genau zu bestimmen.

Wenn Sie eine große Anzahl sich schnell bewegender Objekte haben, um sich zu orientieren, kann Skymark eine größere Genauigkeit erzielen, als dies mit sich langsam bewegenden Sternen möglich war

Das US-Unternehmen Draper Laboratory hat jedoch eine neue Generation der Himmelsnavigation namens Skymark entwickelt, die mithilfe eines kleinen automatisierten Teleskops Satelliten, die Internationale Raumstation und andere Objekte verfolgt, die die Erde zusammen mit den Sternen umkreisen.

Mit einer großen Anzahl sich schnell bewegender Objekte, die sich orientieren können, kann Skymark eine größere Genauigkeit erzielen, als dies mit sich langsam bewegenden Sternen möglich war. Skymark verwendet eine Datenbank mit sichtbaren Satelliten - sowohl funktionierende Satelliten als auch Weltraummüll - und hat eine behauptete Genauigkeit von 15 m, was sie fast so gut wie GPS macht. Manchmal ist es zu einer höheren Genauigkeit fähig, aber dies hängt davon ab, wie viele dieser Satelliten gleichzeitig gesehen werden können, sagt Benjamin Lane, Gruppenleiter für fortgeschrittene Positions-, Navigations- und Zeitmessinstrumente bei Draper.

„Die beste Genauigkeit für die Himmelsnavigation liegt mit Sicherheit innerhalb weniger Meter“, sagt er. "Eine Einschränkung ist die Größe der Satelliten referenzen."

Ein weiterer Nachteil ist, dass es nur mit einer klaren Sicht auf den Himmel funktioniert. Die Verwendung von Infrarotlicht anstelle von sichtbarem Licht, das leichter durch Dunst und Lichtwolken hindurchtreten kann, hilft ein wenig, aber in Teilen der nördlichen und südlichen Hemisphäre, in denen dicke Wolken und grauer Himmel häufiger vorkommen, ist es wahrscheinlich weniger nützlich .

Möglicherweise ist die Trägheitsnavigation eine alltäglichere Option, bei der mithilfe eines Satzes von Beschleunigungsmessern die genaue Geschwindigkeit und Richtung ermittelt wird, in die ein Fahrzeug fährt, um seine Position zu berechnen. Basisversionen werden bereits häufig verwendet.

"Wenn Ihr Auto in einen Tunnel fährt und Sie das GPS-Signal verlieren, ist es die Trägheits navigation, die Ihre Position auf dem neuesten Stand hält", sagt Curry.

Das Problem bei der Trägheits navigation ist die „Drift“ - die berechnete Position wird mit der Zeit weniger genau, wenn sich Fehler ansammeln. Daher ist der Trägheitsnavigator in Ihrem Auto nur für kurze GPS-Unterbrechungen nützlich.

Drift könnte mit Quantensensoren überwunden werden, die tausendmal empfindlicher sind als vorhandene Geräte. In der Quantenwelt beginnen sich Atome und Teilchen sowohl als Materie als auch als Wellen zu verhalten, und die Beschleunigung verändert die Eigenschaften dieses Verhaltens. Das französische Unternehmen iXBlue verwendet diese Technik, um ein Gerät zu bauen, das mit der GPS-Präzision mithalten kann. Ein Team vom Imperial College London hat in Zusammenarbeit mit dem Laserspezialisten M Squared 2018 einen Prototyp eines tragbaren Quantenbeschleunigungsmessers demonstriert.

Das US-Verkehrsministerium veranstaltet derzeit einen Wettbewerb zur Auswahl möglicher Backups für GPS

Solche Quantensensoren sind immer noch auf Laboratorien beschränkt und Jahre von einem verwendbaren Endprodukt entfernt.

Die optische Navigation, bei der automatisierte Systeme mit Kameras Orientierungspunkte wie Gebäude und Straßenkreuzungen verwenden, ist möglicherweise viel früher bei uns. Eine frühe Version, bekannt als Digital Scene Matching, wurde für Marschflugkörper entwickelt.

ImageNav wurde von Scientific Systems für die US Air Force entwickelt und ist ein modernes optisches Navigationssystem für Flugzeuge. Es verfügt über eine Geländedatenbank des zu navigierenden Gebiets und vergleicht sie mit Eingaben von Videokameras, um den Standort zu ermitteln. ImageNav wurde erfolgreich an einer Reihe von Flugzeugen getestet, könnte aber auch in selbstfahrenden Fahrzeugen Verwendung finden.

Das schwedische Unternehmen Everdrone hat kürzlich auch die erste Drohnenlieferung zwischen Krankenhäusern ohne GPS durchgeführt. Ihr System verwendet eine Kombination aus optischem Fluss - Messung der Geschwindigkeit anhand der Geschwindigkeit, mit der die Landschaft darunter verläuft - und der Identifizierung von Orientierungspunkten, um mit GPS-ähnlicher Präzision von Punkt zu Punkt zu gelangen. Diese Methode setzt natürlich eine vollständige und genaue Bilddatenbank des Bereichs voraus, in dem Sie navigieren. Dies erfordert wahrscheinlich viel Speicher und häufige Aktualisierungen.

Großbritannien entwickelt ein Backup-System für die von GPS bereitgestellten Zeitsynchronisationsdienste in Form des National Timing Centre-Programms, dem ersten derartigen nationalen Dienst der Welt. Wenn es im Jahr 2025 in Betrieb genommen wird, werden präzise Atomuhren an verteilten, sicheren Orten in ganz Großbritannien eingesetzt, die Zeitsignale über Kabel- und Funkdienste liefern. Die Idee ist, dass es kein einzelnes gefährdetes Zentrum gibt, das durch einen Unfall, eine technische Panne oder einen Cyberangriff zerstört werden könnte, wenn Satellitensignale ausfallen.

Letztendlich kann möglicherweise kein einzelnes System die Leistung von Satelliten navigations systemen wie GPS ersetzen, und es kann vorkommen, dass verschiedene Lösungen für Schiffe, Flugzeuge und Autos kombiniert werden. Das US-Verkehrsministerium veranstaltet derzeit einen Wettbewerb zur Auswahl möglicher Backups für GPS. Es ist jedoch eine echte Frage, ob es bald eine Alternative geben wird.

"Es gibt jetzt ein Bewusstsein für das Problem, aber die Dinge bewegen sich immer noch mit eisiger Geschwindigkeit", sagt Curry.

Wir sind immer mehr auf genaue Navigation angewiesen. Selbstfahrende Autos, Lieferdrohnen und fliegende Taxis werden voraussichtlich in den nächsten zehn Jahren auf und über unseren Straßen erscheinen. Alle von ihnen werden von GPS abhängig sein.

Wie Curry bemerkt, könnte eine Person mit einem starken Störsender in einem GPS in einem Gebiet von der Größe Londons vom richtigen Ort aus ausschalten. Wenn keine geeigneten Backup-Systeme entwickelt werden, könnten in Zukunft ganze Städte auf Knopfdruck zum Stillstand kommen.