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Tecnologia

A guerra do GPS

É impossível imaginar o mundo moderno sem ele. Mas há alguém tentando sabotá-lo – e as grandes potências desenvolvem sistemas concorrentes de posicionamento global.

Texto Bruno Garattoni e Vinicius Abbate | Ilustração Guilherme Henrique | Design Carlos Eduardo Hara

Pelos padrões dos cargueiros, o MV Manukai até que é modesto: tem capacidade para 3 mil contêineres (o maior navio do mundo, o MSC Gulsun, leva até 23 mil). Mas de pequeno ele não tem nada. Com 217 metros de comprimento, 32 mil toneladas e autorização para transportar cargas da categoria Hazard A, a mais perigosa, que inclui produtos químicos e explosivos, o Manukai impõe respeito por onde passa. Mas quando ele se aproximava do porto de Xangai, em julho de 2019, uma série de eventos estranhos, e inéditos, aconteceu. O painel de controle do cargueiro indicou que havia outro navio no mesmo canal. Logo em seguida, a embarcação sumiu da tela. E então reapareceu, sumiu e apareceu novamente, em posições absurdas, nos minutos seguintes. Aquilo era claramente um bug. Quando chegou a hora do Manukai atracar, a coisa ficou perigosa. Seus dois sistemas de GPS entraram em pane, impedindo a navegação do cargueiro – que não conseguia determinar a própria posição nem se mover com segurança. O sinal acabou voltando e o comandante conseguiu atracar, mas não foi o único a ter problemas. Naquele mesmo dia, nada menos do que 300 navios que estavam naquela área perderam a própria localização. Só havia uma explicação possível: alguém estava interferindo com os sinais do GPS.

Foi a maior sabotagem já registrada contra o Global Positioning System, uma rede de 24 satélites construída pelos Estados Unidos e usada por bilhões de pessoas todos os dias. É impossível imaginar o mundo sem ela: praticamente tudo, dos aplicativos do seu smartphone aos supercomputadores dos bancos, do tráfego aéreo aos sistemas de defesa das superpotências, depende do GPS. Ele é tão imprescindível que, nos últimos anos, vários países foram construindo seus próprios sistemas de posicionamento global – ao mesmo tempo em que desenvolvem maneiras de embaralhar os sinais transmitidos pelos satélites rivais. Talvez você nunca tenha ouvido falar deles, mas existe um GPS russo (o Glonass), um europeu (Galileo), um chinês (BeiDou), um japonês (QZSS) e até um indiano (NavIC).

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Eles têm diferenças interessantes entre si (mais sobre isso daqui a pouco), mas se baseiam no mesmo princípio: cada um possui uma rede de satélites que transmitem sinais de posicionamento, com os quais você pode determinar onde está. O GPS americano, primeiro de todos, começou a operar em 1993. Mas ele, e todos os outros, só existem graças a um físico do século 19 – e seu desejo de entender a cor das estrelas.

As cores do céu

Em 1842, Christian Doppler escreveu sua maior obra: o artigo “Sobre a cor da luz das estrelas duplas”. No texto, Doppler explica por que esses astros (conjuntos de duas estrelas que orbitam um mesmo baricentro, ou centro de gravidade) têm a tonalidade que têm. Ele conseguiu fazer isso graças a uma grande sacada: descobriu um fenômeno que viria a se tornar conhecido como Efeito Doppler, e que todos nós presenciamos quase todo dia.

Sabe quando você está na rua e passa uma ambulância ou carro de polícia? Já reparou que o som da sirene vai mudando de tom, e fica mais ou menos agudo, conforme o carro se aproxima e se afasta de você? Isso acontece porque a frequência de uma onda se modifica de acordo com o movimento dela em relação ao observador. É o Efeito Doppler, que vale para as ondas sonoras (como a produzida pela sirene) e também para as ondas eletromagnéticas, como a luz (inclusive a emitida pelas estrelas) e os sinais de rádio.

Em 1957, quando a União Soviética lançou o Sputnik 1, a humanidade ficou espantada com aquele feito tecnológico.  E surpresa com o fato de que qualquer pessoa, usando um radioamador, podia captar os sinais emitidos pelo primeiro satélite artificial. Enquanto os EUA planejavam sua resposta, dois cientistas americanos tiveram a ideia de monitorar as transmissões do Sputnik. Elas não eram nada de outro mundo (só uma sequência de bipes que informava a temperatura e a pressão da atmosfera). Mas os físicos William Guier e George Weiffenbach, da Universidade Johns Hopkins, perceberam que o Efeito Doppler agia sobre os sinais do Sputnik 1, que mudavam de frequência conforme ele se deslocava pelo espaço – e, a partir disso, era possível calcular onde ele estava.

Os militares americanos logo entenderam a utilidade da coisa, e em 1960 colocaram no ar o sistema Transit, a primeira rede de posicionamento via satélite. Ela dava um passo à frente do Sputnik: tinha cinco satélites, cada um dos quais transmitia sinais informando a própria posição. Mas peraí: como os satélites sabiam onde estavam? Afinal, não existia GPS naquela época.

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Eles eram monitorados por quatro bases da Marinha, que usavam o Efeito Doppler para calcular a posição de cada satélite – e mandavam essa informação duas vezes por dia para ele (no resto do tempo, o satélite usava sua órbita e velocidade, que eram constantes, para determinar onde estava). Até hoje os sistemas de posicionamento global dependem do apoio de bases terrestres, como a GPS Control Segment [veja infográfico abaixo].

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Guilherme Henrique/Superinteressante

Os sinais da rede Transit eram captados por um computador que, ao comparar a distância de pelo menos três satélites, era capaz de determinar onde estava. É o princípio da trilateração, também usado pelo GPS e seus rivais [veja infográfico acima]. O Transit era bastante impreciso; tinha 200 metros de margem de erro. Não serviria para você chamar um carro ou navegar pelas ruas da sua cidade. Mas era bom o bastante para guiar os submarinos americanos, que foram os primeiros a usá-lo – e tinham espaço de sobra para acomodar o TRW-130, um computador que pesava 250 kg e calculava a posição do submarino usando os satélites Transit.

O salto definitivo veio em 1967, quando os americanos começaram a lançar os satélites da série Timation: os primeiros a utilizar relógios atômicos. Os relógios mecânicos se baseiam no movimento de uma peça (chamada de pêndulo ou oscilador) para marcar o tempo. Os relógios eletrônicos usam um cristal de quartzo, que vibra numa determinada frequência ao receber corrente elétrica. Com os relógios atômicos, a ideia é mais ou menos a mesma: você conta o movimento de uma coisa para marcar o tempo. Só que numa escala muito menor. “Os relógios atômicos funcionam contando pulsos eletromagnéticos emitidos por uma amostra radioativa”, explica Flavio Guilherme Vaz de Almeida Filho, professor do departamento de Informações Espaciais e Geodesia da Escola Politécnica da USP.

Os relógios atômicos que utilizam césio-133, por exemplo, esquentam esse material e o bombardeiam com micro-ondas. Isso faz com que os átomos de césio soltem exatamente 9.192.631.770  pulsos por segundo. É um grau de precisão muito, mas muito superior ao dos relógios eletrônicos (cujo cristal vibra 32.768 vezes por segundo). Por isso, os relógios atômicos são incrivelmente estáveis – só adiantam ou atrasam 1 segundo a cada 32 mil anos.

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E a precisão do tempo é crucial para o GPS. Para calcular onde você está, o seu smartphone utiliza o “timestamp”, que é um horário ultrapreciso enviado pelos satélites [entenda no infográfico acima]. Se esse dado estiver incorreto, a sua localização sairá totalmente errada. Para evitar isso, o GPS também precisa considerar outro elemento: a Teoria da Relatividade.

De Einstein a Putin

Os satélites da rede GPS, e da maioria das concorrentes, não são geoestacionários (que se movem em sincronia com a Terra, e por isso ficam sempre sobre o mesmo ponto dela). Eles se deslocam mais rápido do que a rotação terrestre, e por isso dão uma volta no globo a cada 12 horas, aproximadamente. É proposital, pois permite cobrir o mundo inteiro com menos satélites. Mas também cria um problemão. Ou melhor: dois.

O primeiro é que a velocidade desacelera o tempo. Esse fenômeno é descrito na Teoria da Relatividade Especial, publicada por Albert Einstein em 1905. Como o satélite se desloca mais rápido do que a Terra, o tempo passa mais devagar para ele. Por isso, seus relógios atrasam 7 microssegundos por dia em relação a nós. E tem mais. A Teoria da Relatividade Geral, que Einstein redigiu em 1915, descreve outra coisa bizarra: quanto menos gravidade, mais rápido o tempo passa. E os satélites estão na microgravidade do espaço, logo… seus relógios adiantam 45 microssegundos por dia. Somando uma coisa e outra, o resultado é que os relógios atômicos dos satélites precisam ser atrasados em 38 microssegundos por dia, todo santo dia. Se isso não for feito, adeus GPS: um dia sem a correção já provocaria um erro de 10 km na localização gerada pelo sistema. Você pediria um táxi na Avenida Paulista e o carro iria te buscar no Sambódromo. Cada satélite GPS possui quatro relógios atômicos, dois de césio e dois de rubídio, cujo horário é corrigido automaticamente pelo computador de bordo.

O GPS tem dois modos de operação: o Serviço de Posicionamento Preciso (PPS), que opera nas frequências de transmissão L1 e L2 [veja quadro abaixo], e o SPS (Serviço de Posicionamento Padrão), que usa as frequências L1 e L5. O sinal do PPS é dez vezes mais preciso – mas é criptografado, e só os militares dos Estados Unidos  ou de países aliados conseguem decodificá-lo. Já o SPS é o sinal aberto, que qualquer pessoa pode usar para se localizar. Mas ele também pode ser manipulado. Entre maio e julho de 1999, os americanos decidiram que a Índia, que estava em guerra com o Paquistão (então aliado dos EUA), não poderia mais usar o GPS. Eles enviaram um comando para os satélites, que passaram a embaralhar o sinal quando sobrevoavam a Caxemira, região de conflito entre indianos e paquistaneses.

Naquele mesmo ano, a Índia resolveu desenvolver seu próprio sistema de posicionamento via satélite: o NavIC, que só ficou pronto em 2018. Antes dela, outras nações já haviam percebido a importância de ter a própria rede de satélites de localização. A primeira foi a União Soviética, que em 1972 inaugurou o sistema Tsiklon (“ciclone”). Ele chegou a ter 31 satélites, e foi o antecessor do atual Glonass (“sistema global de navegação”), que começou a ser montado em 1982. Na década de 1990, com o colapso da URSS, os russos deixaram de fazer a manutenção e substituição dos satélites, e o sistema foi perdendo precisão e cobertura. Ele só voltou a ter alcance global em 2011. Hoje a maioria dos smartphones é compatível com o Glonass. Como o GPS, ele tem dois modos de operação – um aberto e outro criptografado, para uso militar. O Glonass é mais robusto do que o sistema americano, pois não precisa de “pulsos de correção”, informações que são periodicamente enviadas de bases em terra para os satélites GPS. Por outro lado, é menos preciso do que o sistema americano. Os russos pretendem superar isso lançando mais seis satélites, que terão uma particularidade: ao contrário da maioria dos satélites de posicionamento, que dão voltas sobre a Terra, os novos modelos russos serão  geoestacionários. Eles vão ficar sobre o hemisfério oriental, aumentando a precisão do Glonass na própria Rússia.

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Esse esquema híbrido, que mistura satélites de órbita média (que dão voltas na Terra) e geoestacionários, já é utilizado pela rede BeiDou, o GPS chinês. Ele está em operação desde 2011, e atualmente tem 33 satélites em operação – incluindo cinco geoestacionários. O sistema QZSS, desenvolvido pelo Japão, também mistura os dois tipos de satélite. Mas tem uma característica ainda mais diferentona: três de seus quatro satélites têm órbita “quase-zenital”, ou seja, ficam a maior parte do tempo sobre o território do próprio Japão (não percorrem todo o globo, como as outras redes de satélites).

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Guilherme Henrique/Superinteressante

Já o sistema europeu, que se chama Galileo e ficou pronto em 2016, é mais conservador: só tem satélites de órbita média, como o GPS. Ele é administrado pela European Global Navigation Agency, uma organização multinacional com sede em Praga, na República Tcheca. Foi desenvolvido para uso civil, mas também tem usos militares. Tanto é que o Reino Unido, que deve deixar a União Europeia, já está debatendo a criação de seu próprio sistema de posicionamento. Os britânicos queriam continuar a usar o Galileo, mas a legislação europeia diz que apenas os países-membros da UE podem ter acesso ao sinal criptografado – que permite determinar a localização de qualquer ponto da Terra com 1 cm de precisão.  “Não é possível afirmar que um sistema seja mais eficiente do que os outros”, afirma Vaz, da USP. “Alguns desses sistemas têm alcance local, global ou uma combinação de ambos. São movidos por questões estratégicas, não necessariamente técnicas”, diz. Mas todos têm um ponto em comum: seus sinais podem ser embaralhados por inimigos de outros países – ou, até, motoristas de táxi.

Em 2013, a polícia de Melbourne, na Austrália, descobriu que taxistas de lá estavam usando bloqueadores de GPS para ocultar a própria localização. O objetivo era confundir a central de radiotáxi (que monitorava e despachava todos os carros), e conseguir corridas em qualquer lugar da cidade. Para fazer isso, usavam um aparelhinho que custa apenas US$ 10, funciona ligado ao acendedor de cigarros do automóvel, e emite interferência na mesma frequência do GPS, impedindo que o receptor capte o sinal verdadeiro e calcule onde está.

Esse tipo de ataque se chama jamming (bloqueio). Mas é possível ir bem além: gerar coordenadas falsas para confundir os receptores. “Trata-se de um sinal ‘confiável’, mas que na verdade tem a intenção de falsear a posição do receptor. Funciona como uma rádio pirata”,  diz Gustavo Fraidenraich, professor de engenharia elétrica da Unicamp e especialista em redes sem fio. É o chamado spoofing  (falsificação do sinal), que pode ter consequências muito maiores. Um sistema alimentado com coordenadas falsas poderia levar militares a erros catastróficos – como disparar um míssil contra as próprias tropas.

Há indícios de que ambas as técnicas têm sido utilizadas com objetivos estratégicos. Em 2011, o Irã derrubou um drone americano depois de interferir com seus sistemas de localização. Também houve relatos do tipo na Ucrânia, em 2014 (quando o país disputava a Crimeia com a Rússia), ações contra aviões americanos na Síria e veículos da Otan durante um exercício militar na Noruega, em 2018. Um relatório do grupo americano C4ADS (Center for Advanced Defense Studies) acusa a Rússia de ter interferido mais de 10 mil vezes ao longo de um ano com sinais GPS, especialmente em áreas visitadas por Vladimir Putin – o suposto objetivo seria impedir que drones se aproximassem do presidente russo.

Já os americanos começaram a testar, no final de 2019, um novo tipo de localizador, supostamente imune a interferências – ao mesmo tempo em que desenvolvem maneiras de sabotar os satélites dos outros países. A guerra do GPS deve esquentar nos próximos anos. Porque ela não requer violência nem produz rastros (é muito difícil determinar quem sabotou ou cortou o sinal, como no caso do cargueiro que perdeu o rumo em Xangai). Mas tem um efeito extremamente poderoso: deixa o inimigo desorientado e cego, sem saber onde está – nem para qual lado atirar.