"משבש מסלול מחדש"

הדיווחים על תקלות במערכות הניווט הלווייני (GPS) החלו כמעט מיד אחרי הטבח שביצעו מחבלי חמאס ביישובי עוטף עזה ב-7 באוקטובר. רק לאחר כשבוע הודה צה"ל שמדובר במהלך צבאי יזום. ב-15 באוקטובר 2023 דיווח אתר עיתון "הארץ" כי "מערכת הביטחון הגבירה את שיבוש מערכות הניווט הלווייני באזור כדי לנסות ולסכל מתקפות רחפנים ומטוסים ללא טייס של חמאס וחיזבאללה".

אף שרובנו התרגלנו לראות בשירותי הנווטנים חלק בלתי נפרד מחיינו, ואנו מתייחסים לתקלות שמתרחשות בהם בתסכול, איש מהמומחים בתחום לא הופתע מהמהלך. בין הראשונים שזיהו את השיבושים הללו היו חוקרים ממעבדתו של טוד המפריז (Humphreys) באוניברסיטת טקסס, שעוקבים כבר זמן רב אחרי שיבושי מערכות ה-GPS בכל העולם. הם דיווחו שמאז פרוץ המלחמה ב-7 באוקטובר, מטוסים שטסים מעל לים התיכון בקרבת ישראל נעלמים שוב ושוב מהמפה לכמה שניות. לטענתם, זו ראיה חדה וברורה לפעולות יזומות משמעותיות שנעשות באזור הזה לשיבוש מערכות הניווט הלווייני.

אותה קבוצת מחקר דיווחה כי לחיל האוויר הישראלי יש משבש GPS רב עוצמה, שהיקף השפעתו על אותות הניווט הולך ומתרחב בשנה האחרונה. הם גם מזהירים שהשימוש בו עלול לפגוע בענף התעופה האזרחית ובעוד מגזרים רבים שנעזרים באותות ה-GPS. לפי הערכתם, מקור השיבושים נמצא בבסיס יחידת הבקרה האווירית של חיל האוויר, שיושבת בהר מירון – ההר הגבוה ביותר בגליל.

מערכת מיקום עולמית

מערכת המיקום העולמית (Global Positioning System), או GPS בקיצור, פותחה עבור צבא ארצות הברית משנות השבעים, תחת השם NavStar GPS. בשנות השמונים פתח הממשל בארצות הברית את המערכת לשימוש אזרחי מצומצם, ורק בשנת 2000 הסיר את כל ההגבלות ואפשר לציבור הרחב גישה מלאה לאותות המשודרים מלווייני הניווט. כיום כמעט כולנו עושים שימוש זה או אחר באותות ה-GPS – בטלפונים החכמים, במחשבים, במכוניות ועוד.

סרטון הסברה של חיל האוויר האמריקאי מראשית ימי ה-GPS (באנגלית):

המערכת מבוססת כיום על אותות רדיו שמשדרים 31 לווייני ניווט שחגים בגובה של כעשרים אלף קילומטר מעל פני כדור הארץ ומשלימים בכל יממה שתי הקפות סביב כוכב הלכת שלנו. כשהאותות הללו מגיעים למקלטי ה-GPS (נווטנים) שלנו, המכשירים מעבדים את המידע שלהם ומשתמשים בו כדי להעריך איפה אנחנו נמצאים.

לשם כך, כל נווטן נדרש לזהות אותות שהגיעו מארבעה לוויינים לפחות. כל לוויין מדווח מתי בדיוק הוא שלח את האות ואיפה בדיוק הוא היה במסלולו בזמן השידור. הנווטן מוסיף למשוואה את השעה שבה קלט את האות ואת מהירותם של גלי הרדיו ומסיק מכך מה המרחק שלו מכל אחד מהלוויינים. כך, מצירוף הפערים בזמן ובמיקומים שמהם נשלחו האותות מארבעת הלוויינים, המקלט יכול לחשב את מקומו המדויק במרחב. מכשיר ניווט שמצויד גם בגישה לרשת מפות, יכול להראות לנו בדיוק היכן אנו נמצאים עליה, ולתכנן לנו מסלול ליעד מבוקש. 

כל הלוויינים במערכת GPS מתואמים זה עם זה. לעומת זאת, מקבלי האותות, כלומר אנחנו, משתמשים בציוד זול ולא אמין. לכן דרושים חישובים מורכבים נוספים כדי לסנכרן את השעון של הנווטן עם השעונים האטומיים הסופר-מדויקים שנמצאים בלוויינים, שהסטייה המרבית שלהם אינה עולה על 40 ננו-שניות (מיליארדיות השנייה). 

כל לוויין משדר קוד בינארי בכמה תדרים שונים, שחלקם מיועדים לשימוש צבאי בלבד. מיליארדי מקלטי GPS נמצאים כיום בשימושם של אנשים פרטיים, צבאות, חברות וגופים ממשלתיים בכל רחבי העולם. המקלטים הללו נמצאים כיום כמעט בכל מקום: בטלפונים חכמים, כמובן, וגם במטוסים, אוטובוסים, ספינות, טילי שיוט, רחפנים ועוד מכשירים רבים.

GPS אינה מערכת הניווט הלווייני היחידה כיום בעולם, ומתחרה בה בשוק האזרחי גם מערכת גלילאו של האיחוד האירופי. ארבע מדינות נוספות מפעילות מערכות דומות שסגורות לציבור הרחב. אלה כוללות את IRNSS ההודית, GLONASS הרוסית, BeiDou הסינית ו-QZSS היפנית.

מערכות מקבילות. GPS (משמאל) ושילוב של כמה מערכות שיוצר את הרשת הגלובלית המכונה GNSS | איור: Oselote, Shutterstock

שיירות רפאים

לא קשה במיוחד לפרוץ את מערכת הניווט שכולנו תלויים בה כל כך. אפילו לא צריך בשביל זה מערכות צבאיות מתוחכמות. בעשור האחרון קרה לא פעם שמטוסים אזרחיים איבדו את אותות ה-GPS לקראת הנחיתה וטייסיהם נאלצו לנחות בלי עזרת מערכת הניווט הלווייני. מומחי בטיחות ומהנדסי אווירונאוטיקה שחקרו את האירועים הללו טוענים שלפחות חלקם נובעים מהתערבות זדונית. שיבוש משמעותי של אותות ה-GPS עלול לשתק שלל מגזרים, ביניהם בנקים, בורסות, שירותי תחבורה, ספקיות חשמל ועוד. מאותה סיבה, שיבוש יזום של אותות ה-GPS יכול להעניק יתרון מבצעי משמעותי בשעת מלחמה.

אותות הרדיו שהלוויינים משדרים צריכים לעבור כעשרים  אלף קילומטר עד שהם נקלטים בנווטנים שלנו. ועל כן הם מגיעים חלשים ופגיעים. עם הידע הנכון והמכשירים המתאימים קל למדי לשבש אותם. 

דרך אחת לשבש את אותות ה-GPS היא לזייף את אותות הרדיו, פעולה המכונה Spoofing. כל לוויין GPS משדר קוד זיהוי ייחודי. פצחן (האקר) מיומן יכול לשכפל את הקודים של הלוויינים הנקלטים בקרבתו, וליצור אותות דומים מהמשדר שלו. בתחילה, התוכנה שמייצרת את התדר המזויף חייבת לפעול בסנכרון מלא עם המידע שמועבר מהלוויין, והתדר צריך להיות דומה במהירותו ובתצורתו למקור. אם המידע לא יהיה תואם למקור, מערכות הבקרה של הנווטנים יחסמו את המידע הזר.

כעת הפצחן יכול להגביר בהדרגה את עוצמת האותות שהוא משדר, עד שהנווטן יינעל עליהם, והם יחליפו את האות המקורי, החלש יותר, המגיע מהלוויין. מרגע זה והלאה, הוא יוכל לשנות בהדרגה את האות ולספק לנווטנים בקרבתו מידע שגוי על מיקומו של הלוויין, מהירות התנועה של אותות הרדיו, או השעה שבה הם נשלחו.

שיבושי GPS באזור הים התיכון ואירופה ב-4 בנובמבר 2022; השיבושים באותו אזור ב-3 בנובמבר השנה, במהלך המלחמה | מקור: האתר gpsjam.org, שעוקב אחרי שיבושי GPS בעולם.

אותות מזויפים יכולים לשמש למגוון רחב של הטעיות בסדרי גודל משמעותיים. למשל, מדינה יכולה להשתמש בהם כדי להטעות מדינת אויב שעוקבת אחרי תנועות כוחותיה. כך אפשר בין השאר ליצור אשליה של שיירת רפאים של כוחות צבא, שאינה קיימת באמת, באמצעות שיבוש יזום של אותות ה-GPS.

דרך נוספת לשבש את המערכת היא לחסום את אותות ה-GPS, פעולה המכונה Signal Jamming. מאחר שאותות הלוויינים עוברים מרחק רב ונחלשים בדרכם, אפשר להשתמש במשדרים על פני כדור הארץ כדי לשלוח בליל רב-עוצמה של אותות חסרי משמעות באותו תדר. כך עשוי להיווצר רעש של גלי רדיו מטעים שיקשה מאוד על הנווטן לזהות ביניהם את אותות הלווייניים.

בניגוד לאותות מזויפים, אותות חוסמים לא חייבים להיות מתוחכמים, אלא רק להיות חזקים ורבים, וכמובן צריך לשדר אותם באזור שבו רוצים לשבש את קליטת ה-GPS. משדרי רדיו חזקים יכולים לשבש את האותות במרחק של כמה קילומטרים מהם.

מאין מגיע הרעש?

באפריל 2023 פרסמו המפריז ועמיתו זאכארי קלמנטס (Clements), בשיתוף עם פטריק אליס (Ellis) מחברת Spire Global שמפעילה מערך לוויינים גדול במסלול נמוך, מחקר על הפרעות ל-GPS. הם הראו שאפשר לאתר את מקורם של מרכזי שיבוש GPS חזקים באמצעות מידע המגיע מלוויינים.

ללוויינים החגים במסלול נמוך, עד 2,000 קילומטר, יש כמה יתרונות משמעותיים. ראשית, הם מהירים מאוד ולרוב משלימים הקפה של כדור הארץ תוך 90 דקות בלבד. כך הם יכולים לאסוף מידע רב בזמן קצר. בנוסף, בזכות קרבתם היחסית לקרקע הם יכולים להאזין היטב לאותות ה-GPS המגיעים מלווייני הניווט החגים מעליהם, וגם לאותות דומים המגיעים ממשדרים על פני כדור הארץ. כך הם יכולים לאתר אותות משונים מלמטה שמרמזים על ניסיון לזייף אותות GPS או להפריע לקליטתם.

החוקרים השתמשו בשתי דרכים לזהות מרכזים של שיבושי GPS פעילים – קריאה ישירה של האותות שנקלטו בלוויינים, או פענוח עקיף של מקור האותות באמצעות אפקט דופלר. האמצעי השני מבוסס על כך שגלים, כמו גלי רדיו, נדחסים כשהם נעים לעבר גוף כלשהו, או כשהוא נע אליהם, כך שתדירותם עולה, ומתפשטים כשהם מתרחקים ממנו, כך שהתדירות יורדת. בגלי קול, לדוגמה, קל להבחין באפקט דופלר כשאמבולנס חולף על פנינו – כשהוא מתקרב נשמע את הסירנה שלו בצליל גבוה, וברגע שהוא עובר על פנינו ומתחיל להתרחק תדירות הצליל שאנו שומעים משתנה ואנו שומעים צליל נמוך יותר.

לוויין במסלול נמוך יכול לזהות את השינוי שחל בתדירות גלי הרדיו משבשי ה-GPS בזמן שהוא קולט מתחתיו את האותות המטעים. כך, מדידה מדויקת של השינויים בתדירות הגלים אמורה לאפשר לזהות את מיקום המשדר.

בפועל התברר שהבדיקה הישירה של האותות סיפקה נתונים מדויקים וחד משמעיים יותר מאלה שהתקבלו ממדידת אפקט דופלר. על סמך זה זיהו החוקרים, בין השאר, מרכז שיבוש ישראלי שנמצא להערכתם בהר מירון בגליל. מרכזי שיבוש אחרים זוהו גם באוקראינה, סוריה, טורקיה, ועיראק.

לצד היתרונות הצבאיים הטמונים ביכולתם להטעות את האויב או לפגוע ביכולתו להפעיל אמצעי לחימה מונחי-נווטנים, שיבושי GPS עלולים לפגוע בתוך כך בפעילויות אזרחיות שגרתיות. כבר בשנה שעברה התלוננו חקלאים בישראל על נזק שגרמו שיבושים כאלה לתפקוד מערכות השקיה מדויקות מבוססות GPS. תלונות דומות השמיעו מטיסי רחפנים מקצועיים, ונראה שההפרעות משפיעות גם על תנועת מטוסים אזרחיים בקרבת ישראל.

מרכזי שיבוש אותות GPS שפועלים להערכת חוקרים מאוניברסיטת טקסס בישראל (מימין) ובאוקראינה (משמאל) ובישראל (מימין) | מקור: מאמר המחקר של קלמנט, המפריז ואליס 

להגן על האותות

למרות הקלות שבה אפשר לשבש אותות GPS, יש גם לא מעט דרכים להתגבר על ההפרעות הללו. כמה וכמה חברות וגופים ממשלתיים משתמשים כבר כעת בטכנולוגיות שתפקידן לסנן את האותות השגויים, וטכנולוגיות נוספות נמצאות כעת בפיתוח.

יש אסטרטגיות רבות לניטור האותות ולמניעת השיבושים. צבאות, למשל, משתמשים באותות GPS מוצפנים, שמצמצמים את הסכנה שגורם עוין יזייף את אותות ה-GPS שלהם. חלק מהנווטנים נעזרים גם במערכות ניווט לווייני חליפיות, כמו "גלילאו", וכך יכולים  להצליב אותות מכמה מקורות. ובמוקדים רגישים אפשר להתקין רשת של אנטנות שקולטות את גלי הרדיו ומנתחות את מקורן, במטרה לזהות אותות בלתי מורשים ולסנן אותם.

יותר ויותר מדינות כיום משתמשות במערכות ניווט קרקעיות משלהן, שמשמשות חלופה וגיבוי למערכת ה-GPS הלוויינית. המערכות האלה מבוססות על מערך של אנטנות ותחנות ממסר קרקעיות שמשדרות גלי רדיו חזקים בתדר נמוך שקשה לחסום או לזייף. במצב שבו נערכת התקפה נרחבת על אותות ה-GPS, הצלבת מידע ממספר אנטנות מאפשרת לאותם למכשירי ניווט מותאמים לזהות את מיקומם בדיוק כמו המערכת הלוויינית.

ניווט עתידני 

בחודש מרץ 2021 נחנך בישראל מרכז חדש לחקר טכנולוגיות ניווט מתקדמות, שהוקם בשיתוף המינהל למחקר פיתוח אמצעי לחימה ותשתית טכנולוגית במשרד הביטחון (מפא"ת) והתעשייה האווירית. מטרתו העיקרית היא לפתח מערכת ניווט שאינה מבוססת על GPS. בהודעה הרשמית על המיזם נמסר שהוא נועד לפתח "מדדים אינרציאליים מדויקים", כלומר מערכת שמודדת, בשלושה צירים, את תאוצת הגוף שבו היא מותקנת ואת קצב שינוי כיוון הנטייה שלו לעומתם. כך, אם יודעים את המיקום, המהירות והכיוון ההתחלתיים של הגוף, אפשר לאמוד בקירוב איפה הוא נמצא, מה מהירותו ולאיזה כיוון הוא נע בכל רגע. לעיתים מתווספות לחישוב מדידות של גדלים נוספים, כמו השדה המגנטי שמסייע בדומה למצפן בזיהוי כיוונים, או לחץ האוויר שיכול לסייע במציאת גובה הגוף. מערכות כאלו קיימות כבר עתה בספינות, מטוסים, צוללות וחלליות, והשאיפה היא לשכלל אותן עוד.

קצת לאחר מכן, באוקטובר 2021, הודיעה התעשייה האווירית שמערכת ADA, שהיא פיתחה לחסימת אותות GPS מזויפים, "שולבה במערכים מתקדמים של חיל האוויר הישראלי, לרבות מטוסי F-16 וכלי טיס נוספים", והוכיחה את יכולותיה במהלך מבצע "שומר החומות". המערכת מבוססת על אנטנה רב ערוצית שיכולה לסנן אותות שמגיעים מכיוונים בלתי רצויים – למשל ממשדרים קרקעיים, בלי לקטוע את המשכיות האותות המקוריים.

אלו רק דוגמאות ספורות. טכנולוגיות לשיבוש אותות הניווט הלווייני ולחסימת השיבושים ימשיכו להתפתח, ולצידן תמשיך בוודאי לגדול התלות שלנו, הציבור, במערכות ה-GPS שמוטמעות כיום כמעט בכל תחום. ככל שישראל תמשיך לשבש את האותות הללו לצורכי ביטחון בסביבה העוינת שבה אנו חיים, יגבר הצורך גם של המגזרים האזרחיים בישראל לחפש אמצעים טכנולוגיים שיאפשרו להם לחסום, במידת האפשר, את השיבושים הללו.

סרטון תדמית של מערך ADA של התעשייה האווירית: