“Visa mig en man som vet exakt var han är, så ska jag visa dig en man som kommer att erövra världen”. Vem sade så? Låter lite som någonting Napoleon kunde ha sagt. Men det var det inte. Det var jag som sade det. För tjugo sekunder sedan.
Det är hur som helst sant. Att veta var du är har sedan krigföringens gryning varit den viktigaste biten av kunskap som du överhuvudtaget kan sitta inne med. Och inte bara för generaler och soldater. För handelsmän också. Jag menar, på upptäcktsresornas och de ostindiska handelskompaniernas tid var det den som bäst kunde bestämma sin position till sjöss som tog hem de största vinsterna.
Det här har bara blivit viktigare med tiden. Vi lever i en värld som är fullkomligt besatt av att kunna bestämma sin position på en meter eller till och med en millimeter när. Därför har vi satellitnavigering. GPS. Ryssarna har sitt eget system, GLONASS. Europa har också en egen version, Galileo. Och kineserna med, Beidou kallar de det. För ingen vill ju vara beroende av fiendens satelliter och signaler.
Det oaktat är samhället alltmer beroende av satelliterna och de exakta positionsbestämningar som de möjliggör. Veckans Kvanthopp handlar om hur det påverkar samhällets alla nivåer, från flygplanens navigering till banktjänster. Och om hur sårbart det systemet är för den som vill oss illa.
Navigare necesse est...
När jag var nitton år extraknäckte jag som bilbud på ett datorföretag i Esbo. På den här tiden fanns det inga GPS-navigatorer, så jag navigerade med den tidens främsta redskap för urban positionsbestämning: telefonkatalogens karta.
Pengarna jag tjänade på mitt jobb använde jag till att köpa en begagnad segelbåt. Också bakom rodret körde jag uteslutande med papperskartor, sjökort alltså, för satellitnavigering existerade inte ännu då. Det här var våren 1990. Det amerikanska GPS-nätverket, Global Positioning System, togs inte i bruk förrän 1994. Och också då var det huvudsakligen den amerikanska militären som kunde dra full nytta av det. Annat är det numera.
Innan vi går in på satellitnavigeringen och dess finesser, låt oss göra en liten tillbakablick. För den moderna navigeringens del började storyn nämligen under den senare hälften av 1600-talet, i Greenwichobservatoriet utanför London. Platsen utgör fortfarande den så kallade Greenwichmeridianens eller nollmeridianens utgångspunkt.
Greenwichobservatoriet grundades ursprungligen för att lösa problemet med bestämmandet av longituden till sjöss. Att bestämma ett fartygs latitud var inget problem, det kunde man göra tämligen enkelt genom att mäta solens eller andra himlakroppars höjd över horisonten med hjälp av en sextant.
Hade du din latitud så visste du din position i nord-sydlig riktning. Men om du inte samtidigt kunde bestämma din longitud så visste du fortfarande inte din position i väst-ostlig riktning.
För att bestämma sin longitud behöver man framför allt veta en sak: vad klockan är. Vet du vad klockan är på två olika platser samtidigt så kan du också beräkna avståndet mellan de platserna.
Problemet var bara det att det inte fanns tillräckligt exakta klockor på 1600-talet. Så man fick ty sig till astronomi. Om du kunde räkna ut exakt var på himlen en himlakropp, till exempel en planet eller månen, skulle befinna sig vid en given tidpunkt, då kunde du i princip bestämma klockslaget där du befann dig, och på en förhand bestämd andra referenspunkt.
Den referenspunkten blev Greenwich. Nollmeridianen. Många andra orter tävlade om att få den äran, men det blev Greenwich som kom att bli den allmänt accepterade referenspunkten.
För att tajma den exakta tidpunkten då till exempel månen passerade ovanför Greenwich behövde man klockor som höll tiden. Greenwich blev därför med tiden också ett centrum för forskning i horologi, alltså vetenskapen kring mätning av tiden.
I Greenwich kan man fortfarande bekanta sig med de revolutionerande kronometrarna som konstruerades av den självlärde urmakaren John Harrison. Han var den första som lyckades konstruera en klocka som var exakt nog för att användas till positionsbestämningar till sjöss.
Också GPS bygger på klockor
Nyckeln till att veta var du är ligger de facto fortfarande i att bestämma tiden så exakt som möjligt. Men numera gör vi det inte med hjälp av mekaniska kronometrar och observationer av himlakropparna. Numera är det superexakta atomklockor som gäller. Och de klockorna sitter inte på fartygets kommandobrygga, eller i din mobiltelefon för den delen, de finns i rymden, i en svärm av satelliter som kretsar runt jorden.
GPS-mottagaren i din bil eller din mobiltelefon räknar alltså ut din position genom att mäta tiden det tar för signalen från en individuell satellit att nå mottagaren. Eftersom vi vet hur fort signalen färdas – med ljusets hastighet – kan man alltså räkna ut hur långt det är till satelliten genom att kolla hur länge det tog för signalen att anlända.
Det är hisnande när man tänker på det. Ljuset rör sig alltså med 300 000 kilometer i sekunden. Och olika satelliter är på lite olika avstånd. Det är det här som det hela bygger på. Det är därför som det behövs superexakta atomklockor i satelliterna som alla är synkroniserade till exakt samma tid. Så att din GPS-navigator kan jämföra fördröjningen av signalen från de olika satelliterna, som beror på hur långt borta de är från dig. Och när GPS-mottagaren i din telefon vet det, kan den placera in dig på kartan.
Det är ett gammalt knep, det här, det kallas triangulering. Och det krävs tidssignaler från minst fyra satelliter för en exakt positionsbestämning.
Satelliterna skickar alltså kontinuerligt ut information om:
- Exakt tid och datum (i kodad form). GPS-systemet bygger uttryckligen på att tidssignalen som en enskild satellit sänder ut är oerhört exakt. För att åstadkomma det här har varje satellit inte mindre än fyra atomklockor ombord – en som används och tre i reserv.
- Identitet (vilken satellit som sänder), och
- Uppgifter om var satelliten befinner sig vid varje given tidpunkt.
En atomklocka (atomur) mäter tiden genom att utgå från vibrationerna hos atomer som till exempel cesium 133. De här svängningarna har en konstant frekvens och kan avläsas mycket noggrant. Atomuret i en GPS-satellit är så exakt att den kastar i princip med sisådär en sekund per trettio miljoner år.
Förutom exakt tid kräver satellitnavigeringen också att man känner till satellitens exakta position. Det här sker genom att satelliten kontinuerligt beräknar sin position i omloppsbanan. Positionen rekalibreras dessutom från markstationer. GPS-systemet har markstationer i Hawaii, Colorado Springs, Ascension, ön Diego Garcia i Indiska oceanen, och på Marshall-öarna i Stilla havet.
Sputnik gav inspiration
Att använda satelliter till att bestämma sin position på jordytan är ingen ny idé.
Redan i slutet av femtiotalet insåg forskarna på Johns Hopkins-universitetet i USA att man i princip kunde använda radiosignalen från den sovjetiska satelliten Sputnik till att mäta frekvensförskjutningar (dopplereffekt) hos satellitens signaler för att beräkna positioner på jorden.
Så i början av sextiotalet lanserade den amerikanska flottan sin satellitnavigering baserad på just den här principen, kallad Transit. Det byggde uttryckligen på dopplermätningar av satellitsignaler som gjorde att man kunde beräkna positioner på jorden. Transit-systemets ursprungliga syfte var för att den amerikanska flottans atomubåtar skulle kunna bestämma sin position sedan då det var dags att stiga till ytan och avfyra sina Polaris-robotar.
GPS-nätverkets prototyp, Navstar GPS, började konstrueras under 1970-talet. Den första testsatelliten sköts upp 1978 och den första produktionssatelliten 1989.
GPS utvecklades alltså ursprungligen för att den amerikanska militären lättare skulle kunna pricka in sina domedagsbomber på Warszawapaktens städer, men lyckligtvis har de civila, fredliga tillämpningarna kommit att dominera. Hoppas det förblir på det viset.
Det var USA:s president Ronald Reagan som bestämde att resten av världen också skulle få dra nytta av den amerikanska satellitnavigeringen. 1983 sköt Sovjetunionen ned Korean Air Lines Flight 007, en Boeing 747 med 269 personer ombord. Det här efter att planet hade förirrat sig in i Sovjetunionens luftrum vid Sachalinön utanför Sibiriens ostkust.
Så kan vi ju inte ha det, konstaterade Ronald Reagan som anade möjligheten till att plocka lite goodwillpoäng. Så han skrev på ett direktiv som öppnade GPS för civilt bruk, när det väl hade utvecklats tillräckligt. Det här skedde i maj 1994 när det fanns tjugofyra satelliter i sex olika banplan runt jorden. Året därpå stängdes det gamla Transit-systemet ned.
Civila fick sämre signal
Fast GPS var fortfarande i första hand en militär resurs, så vi söndagsseglare fick nöja oss med en signal som försämrades avsiktligt. Selektiv tillgänglighet kallades det här. Det kunde innebära kast på hundra meter eller så, vilket inte är optimalt i den finländska skärgårdens trånga farleder. Jag minns mycket väl bryggsnacket om det här från mitten av nittiotalets gästhamnar.
Men diverse privata initiativ ploppade ju kvickt upp för att kompensera för den klena GPS-signalen. Man satte upp diverse radiosändare vars signal man kombinerade med GPS-signalen för att ge en exaktare position. DGPS kallades det, differentiell GPS.
Så amerikanerna konstaterade i något skede att äh, låt gå, ni kan få den prima varan. Den 1 maj 2000 undertecknade president Bill Clinton direktivet som stängde av den så kallade selektiva tillgängligheten. Så nu fick vi civila seglare nästan samma precision som de amerikanska generalerna. Det var ingen liten tjänst, faktiskt, det kostar amerikanerna något i stil med fem miljarder dollar om året att uppehålla GPS-systemet. Så det tackar vi för.
Den amerikanska militären å sin sida garderade sig genom att ta i bruk teknik som ströp GPS-tjänsterna till potentiella motståndare i fall av ett krig – ursäkta, en militär specialoperation heter det visst numera...
Okej, men vad betyder det här nu egentligen för min del? Jag menar, om jag inte seglar, och om jag hittar fram till moster Beata i Bortomböle utan GPS, vad spelar det då för roll om det finns navigeringssatelliter i skyn eller inte? Tja, mera än du kanske tror. Tillämpningarna är för många för att räkna upp här, men vi tar några exempel.
Därför är satellitnavigering viktigt:
- Mobiltelefonnätverket skulle inte funka utan GPS. Nätverket behöver veta var din telefon är så att den kan koppla upp dig på närmaste basstation.
- Astronomer, både amatörastronomer och proffsen, använder GPS-nätverkets tids- och platsangivelser för att orientera sina teleskop på stjärnhimlen.
- Kartografer, både civila och militära, kör naturligtvis med GPS. Har man tillgång till den mest exakta signalen så kan man bestämma sin position med någon centimeters eller rentav millimeters precision.
- Räddningsverken världen över utnyttjar GPS när de åker ut på uppdrag. Satellitnavigeringen är såklart också superviktig i räddningsarbetet efter naturkatastrofer och motsvarande.
- Gruvbolagen använder GPS när de borrar, spårar sina fordon och för sitt lantmäteri. Återigen, en positioneringsnoggrannhet på centimeternivå är inte fy skam i de här sammanhangen. Också jord- och skogsbrukare använder maskiner som styrs automatiskt, med GPS-navigering.
- De självkörande bilarna som blir allt vanligare. Också de är beroende av GPS, inte bara för att hitta till sin destination utan för att hålla sig på vägen.
- Bankerna är beroende av GPS-signalen för att notera tidpunkten för penningtransaktioner.
- Och sedan det kanske mest uppenbara av allt: navigering. Både till lands och till sjöss. Sjöfartens behov av att kunna bestämma fartygens positioner har inte försvunnit någonstans.
Var det ännu någonting? Tja, som fotograf kan jag ju konstatera att det är ganska praktiskt att min kamera automatiskt noterar exakt var jag befann mig när jag tog en viss bild. Och min tolvåriga son skulle inte kunna spela Pokémon Go utan GPS-navigatorn i hans telefon. (Spelar någon ännu Pokémon Go?)
Så saboterar man GPS
GPS är fortfarande det viktigaste systemet för satellitnavigering, men det ägs och drivs som sagt av den amerikanska militären. Därför vill de olika stora spelarna på världsscenen ogärna vara för beroende av USA. Så numera finns det flera parallella system för satellitnavigering, bland annat ryska GLONASS och kinesiska Beidou.
På senare tid har också Europa byggt ut sin egen motsvarighet till GPS, kallad Galileo. Indien jobbar också på sitt eget lokala system kallat NavIC, och Japan har ett system med fyra satelliter kallat QZSS eller “Michibiki”. Det är inte avsett att ersätta GPS, utan snarare komplettera det och öka på dess noggrannhet i Japan och Oceanien.
Helt nu på sistone har satellitnavigeringen igen varit på tapeten i och med den ryska invasionen av Ukraina. Nyheterna har rapporterat om störningar i GPS-signalen hos flygplan som har rört sig nära Finlands östra gräns och annorstädes. Det här har allmänt tolkats som att ryssarna antingen av taktiska skäl eller av ren och skär illvilja stör GPS-signalen. Det faller väl i så fall under rubriken hybridkrigföring.
Det är hur som helst ett faktum att satellitnavigeringen är sårbar för avsiktliga störningar. Det är inte ens värst svårt att rådda med GPS-signalen, åtminstone lokalt. Det lär finnas prylar att köpa för det ändamålet på webbens mera ljusskygga sidor. De är inte ens dyra och drivs med vanliga ficklampsbatterier.
Det hela bygger på att GPS-signalen – eller GLONASS eller Galileo för den delen – är väldigt svag. Satelliterna kretsar ju kring jorden på 20 000 kilometers höjd över markytan. Så med en riktad sändare på några tiotal watt kan man kollra bort utvalda mottagare rejält. Knepet är att sända ut en signal som liknar den riktiga GPS-signalen, men som ger helt fel utslag.
Hur effektivt man kan störa GPS-mottagningen beror delvis på hur högt ovanför markytan man befinner sig. Står du på marken och vill störa till exempel bilarnas navigering i närheten, då kommer du inte värst långt med din bärbara störningsapparat. Signalen dämpas effektivt av terrängens hinder, av byggnader, skog och kullar, etcetera.
Högre upp = effektivare störning
Tricket är då att ta sig högre upp. En sändare i ett flygplan eller en ballong tusen meter upp kan blockera användningen av GPS på cirka 80-120 kilometers avstånd. Det här med en relativt låg effekt, till exempel 10-100 W.
Att störa flygtrafikens navigering lyckas bra också från marken. Huvudsaken är i princip att planet vars navigering man önskar störa befinner sig inom den så kallade radiohorisonten. Ju högre upp planet flyger, desto mer sårbart är det för störningar. Ett flygplan som flyger på en höjd av 10 km kan utsättas för störningar från någon som befinner sig inom en radie på cirka 400 km.
På samma sätt kan ett flygplan som flyger på tio kilometers höjd störa GPS-mottagningen inom en 400 kilometers radie.
Ryssarna och de andra stora grabbarna har avancerad teknologi för att orsaka den här sortens störningar i riktigt stor skala. De har inbyggd GPS-störning i ett flertal flygplan och fartyg som går att slå på med en knapptryckning. De sänder med effekter i kilowattsklassen och kan också störa mobiltelefontrafiken och annan kommunikation.
Ryssarna har dessutom byggt ut ett landsomfattande nätverk av GPS-störningsapparatur, kallat Pole-21. I det här nätverket ingår sändare som är placerade i mobiloperatörernas master på jämna mellanrum, med något tiotals kilometer emellan. Syftet med det här nätverket är alltså att störa GPS-navigeringen hos eventuella fientliga kryssningsmissiler som kommer flygande och på så vis minska på deras träffsäkerhet.
Eftersom flera länder och civila aktörer använder olika satellitnavigeringssystem parallellt, är störningssystemen som Ryssland och USA kör med konstruerade för att bita på flera positioneringssystem samtidigt, inklusive Galileo och Kinas Beidou.
Beredskap finns också här hemma
Vår egen försvarsmakt är naturligtvis medveten om allt det här, och de har färdiga strategier för att kunna idka ett aktivt försvar också i fall att en utomstående aktör stör satellitnavigeringen. Vår försvarsmakt övar sig också rutinmässigt i att vid behov störa en anfallande fiendes navigeringssignal.
Också räddningstjänsten och samhällets strategiska civila funktioner har beredskap för att vid behov kunna fungera också i lägen där satellitnavigeringen, mobilnätet eller myndiheternas radionät VIRVE är utslagna. Dylikt, avsiktligt störande av sådana nätverk är ju en del av den moderna, så kallade hybridpåverkan. Dessvärre.
Men allt det här är ju sådant som man sällan talar högt om, av förståeliga skäl. Det betyder dock inte att samhället är helt försvarslöst mot det.
Också själva satellitnavigeringen, GPS och motsvarande, har ett visst mått av inbyggd robusthet mot störningar, framför allt i krig.
De hemliga, militärt reserverade systemen för satellitpositionering är säkrare än de civila varianterna. I dem blandas till exempel signalen mer effektivt upp med bakgrundsbruset och kodnycklarna som behövs för att låsa upp krypteringen distribueras endast till utvalda användare. Den här sortens krypterade signaler kunde man tänka sig att Finland kunde få “låna” exempelvis av Nato om det började smälla i knutarna.
Nåjo, hur som helst så önskar man ju att GPS och annan satellitnavigering kunde fortsätta vara någonting som man associerar med segling och avslappnade bilturer på landet eller på någon turistdestination. Jag hoppas att jag får tillfälle att tappa bort mig i Kiev en vacker dag, medan jag letar efter något café. Jag lyckas alltid med sådant, navigator eller inte.
Och sedan vill ju jag också gärna rekommendera åt alla att öva sig i att navigera med hederliga gammaldags papperskartor, både till lands och till sjöss. Så som vi gjorde när pappa var ung. Hälsningar till mina två pojkar, som aldrig har levt i en värld utan satellitnavigering.
Åtminstone inte ännu.
