Глобальная система местоопределения

Когда негодяй Негоро подкладывал под судовой компас «Пили грима» железный брусок, он точно знал, что сложность навигационных расчетов не по плечу хоть и смышленому, но еще очень молодому пят надцатилетнему юноше. Шутка ли, управиться с секстантом, ведь и в на ше время его использование требует больших знаний и навыков.

Цифровой век высоких технологий революционизировал методы решения навигационных задач. Сегодня две дюжины небольших спутни ков окутывают всю Землю навигационными сигналами, а портативный приемоиндикатор, представляющий собой, по сути, небольшой специа лизированный компьютер, вычисляет по этим сигналам координаты ме стоположения с точностью до 10—30 метров. Навигация при этом облег чается настолько, что создается впечатление самодостаточности этой чудокоробочки, GPSприемника. Среди профессиональных «навигато ров» — моряков, летчиков и путешественников — уже вырастает целое поколение специалистов, не умеющих работать с классическими навига ционными приборами.

Ничто не останавливает победного шествия GPS. Приемники стремительно уменьшаются в размерах: прибор со спичечный коробок уже можно купить всего за 150 долларов; навигационные чипы встраива ются в часы и мобильные телефоны, становятся составной частью авто мобильных сигнализаций. А компания Applied Solution в следующем го ду намерена наладить серийное производство чипов, предназначенных для имплантации в тело человека. Приемники GPS находят применение при решении самых разнообразных задач: геологи в реальном времени следят за малозаметным перемещением участков земной коры, зоологи делают ошейники с портативными примоиндикаторами и радиопередат чиками для изучения миграции животных, военные строят самонаводя щиеся ракеты и бомбы, а экспедиция Национального географического общества США в прошлом году с сантиметровой точностью измерила высоту Эвереста.

GPS — глобальная система местоопределения (часто ошибочно называется Глобальной системой позиционирования). Состоит из низ коорбитальных 24х спутников, передающих сигналы на частоте более 1 ГГц и пользовательских приемников, определяющих по этим сигналам свои координаты. Для работы GPS приемника необходима прямая види мость небосвода (сигнал GPS спутников экранируется металлом, неко торыми пластиками, бетоном).

Навигация

По радиосигналам спутников GPSприемники пользователей ус тойчиво и точно определяют текущие координаты местоположения. По грешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач НАВИГАЦИИ подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т.д.).

Землемерие

Новое понятие «Система местоопределения» — является сущест венно более общим, чем «навигационная система». Оно охватывает и чрезвычайно важные для человечества проблемы и задачи ЗЕМЛЕМЕ РИЯ (геодезия, картография, планиметрия, геофизика, строительство уникальных промышленных сооружений и дорог и т.д.). Для этих целей погрешности местоопределения не должны превышать долей метра и да же долей сантиметра. Специальные приемники и методы обработки сиг налов обеспечивают эту точность.

Микроэлектроника

Если ракеты и спутники — это механическая основа системы, ее кости и мышцы, то радиотехнические и вычислительные микроэлектро нные устройства — это ее мозг и нервы. Вместе с теоретическими мето дами это информационная основа системы, без которой ее существова ние невозможно. Плата приемника содержит: высокочастотный приемный тракт, устройства сложной математической обработки приня тых из космоса сигналов, первоклассный компьютер с большим быстро действием и значительной памятью, микроэлектронные схемы его со пряжения с внешними устройствами и другие сложные элементы. Сама плата имеет шесть слоев печатного монтажа и обеспечивает одновремен ный прием и обработку сигналов до восьми спутников. Управляют этим ансамблем уникальные математические алгоритмы, реализованные в ви де машинных программ. Не будет преувеличением сказать, что GPS — дитя микроэлектроники и вычислительной техники. Что в каждом из своих проявлений GPS — одновременно и продукт и средство современ ных высоких технологий.

Новая «общественная потребность»

До 1991 года существовали практические ограничения на приме нение GPS изза отсутствия в России разработок этой техники граждан ского применения. Сейчас же спутниковое местоопределение становит ся для нас новой «общественной потребностью», такой же необходимой и доступной, какой давно стала телефонная связь.

Более 300 млн. человек в мире пользуются системой GPS, с помо щью которой путешественник может определять свои координаты, а пи лот посадить самолет в зоне с нулевой видимостью. В ближайшее десяти летие возможности глобальной системы позиционирования значительно расширятся.

Возможности системы глобального позиционирования в ближай шие 10 лет станут намного шире. Пользователь сможет определять свои координаты с точностью до метра. Возможности системы GPS будут рас ширяться за счет модернизации, подразумевающей: введение дополни тельных каналов сигнала на спутнике, увеличение мощности сигнала и усовершенствование системы его коррекции, использование направлен ных антенн, а также интеграцию с телевизионными и телефонными со товыми сетями.

Ее новыми возможностями в первую очередь смогут воспользо ваться военные, для которых она и создавалась. Самолеты военномор ских сил США смогут приземляться на палубу авианосца в полной тем ноте. Система сможет отслеживать местонахождение воздушных судов на всем протяжении полета. В ближайшее время GPS поможет контро лировать движение автомобильного транспорта, обеспечивая безопас ность дорожного движения, усовершенствованная система сможет быть применена в электроэнергетике, в телекоммуникациях, при добыче по лезных ископаемых, картографии и даже в сельском хозяйстве. Кроме того, любой путешественник сможет воспользоваться GPS на всей тер ритории земного шара.

Небо ограничивает

Создание глобальной системы позиционирования началось в США в 1978 г. с запуска первого спутника Navstar. В то время министер ство обороны решило помочь 40 тыс. американским военнослужащим научиться определять свои координаты на земле, в воде и воздухе. Лишь в 80х гг. картографы и геофизики получили доступ к сигналам спутников, а гражданские лица стали пользоваться системой с начала 90х гг., когда на орбите находились 24 спутника системы GPS. Сегодня около 30 млн. человек используют GPSнавигацию, благодаря которой капитаны судов, водители автомобилей и любители приключений определяют свои координаты. В магазинах каждый месяц продается около 200 тыс. прием ников. В 2003 г. по всему миру их продано на 3,5 млрд., и, по прогнозам маркетинговой фирмы Frost@Sallivan, с 2010 г. ежегодные показатели могут вырасти до 10 млрд. (Цифры не включают доходы от предприя тий, работающих в отрасли.) Более 50% оборудования приобретают част ные лица, 40% — коммерческие структуры, и лишь 8% — военные.

Америка не одинока, разворачивая космические навигационные системы. В период «холодной войны» Россия разместила на космичес кой орбите спутники Glonass. В ближайшее время эта отрасль будет стре мительно развиваться и GPSприемниками будут оборудованы как лег ковые автомобили, так и мобильные телефоны. Вскоре стартует европейский проект Galileo, который может произвести передел рынка спутниковой навигации.

Приобретя GPSприемник стоимостью в 100, человек может рас считывать на отклонение в 5—10 м. Армейские приборы позволяют опре делять местонахождение с точностью до 5 м. Если же GPSприемник по лучает сигнал от наземной станции и проводит соответствующую коррекцию данных, его точность возрастает до 0,5 м.

Информационный дождь из космоса

Чтобы понять, что нас ждет в будущем, давайте разберемся, чем мы располагаем сегодня. Спутники передают сигналы двух видов. Один из них несет информацию о местонахождении спутника и времени пере дачи сигнала. Он принимается стационарными наземными станциями, обрабатывается и отправляется на спутник, который передает его всем пользователям системы. Второй сигнал — код, необходимый для опреде ления времени передачи сигнала. Создатели системы называют его псев дослучайным шумом.

Чтобы преодолеть расстояние в 20 тыс. км, сигналу требуется вре мя. Если пользователь сможет с помощью своего приемника, в который заложен код, определить время его отправления, то несложно будет за фиксировать время его прохождения и, умножив полученные данные на скорость распространения, рассчитать расстояние до спутника.

Если в GPSприемник установить часы, то, получив удаление от трех спутников, пользователь сможет определить широту, долготу и вы соту своего местонахождения. Сигнал, идущий от спутников, напомина ет три сферы, пересекающиеся в различное время в разных точках. Для пользователя, находящегося на Земле, существует только один момент их соприкосновения в данный промежуток времени. Для более слажен ной синхронизации сигнала на спутниках установлены атомные часы, обеспечивающие точность хода до одной миллиардной. В большинстве GPSприемников они могут отставать на одну или более секунд в день. Можно подсчитать, что ошибка всего в одну секунду изменит расстояние от спутника до пользователя на 300 тыс. км. Инженеры называют про цесс измерения расстояния между спутником и пользователем псевдоиз мерением. Дело в том, что погрешность присутствует и в сигналах от че тырех спутников, в результате чего мы получаем четыре уравнения с четырьмя неизвестными.

Современные GPSприемники способны учитывать доплеров ский эффект в случае, если измерения проводятся в движении. При пе ремещении приемника в сторону распространения волны ее длина ста новится больше, а при встречном ходе — меньше. Каждый спутник напоминает скоростной поезд. Если он движется на вас, то его гудок по мере приближения становится громче, а если удаляется, то сигнал теряет мощность. Учитывая данный эффект, можно получить скорость движе ния GPSприемника. Такой метод измерения скорости очень точен.

Таким образом, GPSприемники определяют три координаты и три вектора скорости, а также производят синхронизацию времени через сеть. При этом сами приемники не передают сигналов в эфир. В скором времени GPS будут оборудованы сотовые телефоны, что приведет к по дорожанию последних всего на 5.

Преодолевая ионосферу

Спутники GPSсистемы передают сигнал, обладающий классиче ской синусоидальной формой, на обычной радиочастоте. Сейчас на ми кроволновой частоте передаются два сигнала — L1, L2. Канал L1 доступен для всех. Считается, что он предназначен для гражданских пользователей, хотя и военные про него не забывают. Канал L2 предназ начен для военнослужащих. Гражданские пользователи принимают на свои GPSприемники этот канал, но в силу того, что они не имеют досту па к PRNкоду, возникает ошибка в позиционировании. Только дорогие приемники позволяют гражданским пользователям работать в диапазоне L2. Поэтому большинство из них принимает сигнал L1, позволяющий точно определять координаты от 5 до 10 м.

Сложности при приеме сигнала вызваны главным образом тем, что радиоволны на своем пути преодолевают ионосферу Земли, которая представляет собой плазменное облако, образованное Солнечным вет ром. Ее границы простираются от 70 до 1300 км над поверхностью Земли, и при прохождении через ионосферу радиосигналы ослабляются и искажаются. В ночное время, когда ионосфера находится в состоянии покоя, задержка передачи сигнала составляет 1 м, а днем, когда актив ность плазмы высока, — более 10 м.

Для того чтобы минимизировать влияние ионосферы, используют дифференцированный DGPS. В такой схеме используются два прием ника: один мобильный, а второй находится в точке с известными коор динатами. Данные, поступающие с этих GPS, сравниваются и обрабаты ваются, после чего происходит корректировка показаний мобильного приемника. Чем ближе они находятся, тем точнее определяются коорди наты.

Сильные и направленные сигналы

Начиная с 2005 г. спутники будут передавать дополнительные сиг налы, которые помогут исключить помехи от ионосферы. По два сигна ла добавятся к военным L1 и L2 и один — к гражданскому L1, а суще ствующие ныне сигналы не претерпят какихлибо изменений. Следующий этап совершенствования системы начнется в 2008 г. Спут ники будут передавать еще один гражданский сигнал L5, который будет в 5 раз более мощным, чем сейчас. Сдвоенный сигнал позволит миними зировать влияние ионосферы. GPSприемники будущего смогут срав нивать искажения двух сигналов, внося необходимые коррективы в расчеты.

Операторы, использующие DGPSприемники, также окажутся в выигрыше. Напомним, что точность работы DGPSсистемы снижается по мере того, как увеличивается расстояние между фиксированным при емником и мобильным GPS. Это связано с тем что на приемники попа дают сигналы от спутников, прошедшие через разные слои ионосферы. При работе с двумя сигналами мобильный GPS способен оценить влия ние ионосферы, а данные от фиксированного приемника помогут свести к минимуму остальные погрешности, которые могут составлять от 30 до 50 см.

Чтобы получить точность позиционирования в пределах сантиме тров или даже миллиметров, пользователи могут воспользоваться DGPSприемниками. Их современные модели, имея связь со стацио нарной станцией по радиоканалу, передают сведения о своем местона хождении и получают откорректированные данные. Длина волны, на ко торой ведется передача сигнала со спутника, составляет 19 см. Приемник может измерить время получения сигнала с точностью до 1%. В абсолют ном выражении эта величина составит несколько миллиметров.

Для проведения более точных измерений приемник должен иден тифицировать волну сигнала со спутника. Современные GPS сопостав ляют сигналы от спутников по каналам L1 и L2. В системе GPS длины волн отличаются на 85 см, что позволяет проводить измерения с точнос тью до 8 мм. Надежность такой системы измерения в сотни раз больше, чем у систем, работающих с PRNкодами. Их предел — 50 см. DGPS приемники, работающие с одним каналом L1, обеспечивают точность измерения до 19 см. Дорогие модели GPS имеют возможность повысить точность измерения посредством сопоставления частот сигналов, посту пающих по каналам L1 и L2. С началом передачи дополнительных сиг налов со спутников существенно возрастет точность и надежность рабо ты GPSприемников. Гражданские пользователи получат доступ к открытой части канала L2 и новому каналу L5. В будущем GPS смогут производить сравнение трех пар каналов (L1 с L2, L2 с L5, L2 с L 5L).

Полеты с GPS

Какие еще возможности откроются перед пользователями GPS? Федеральное управление гражданской авиации США разрабатывает но вые правила полетов с использованием системы GPS. Многие самолеты уже оснащены подобными приемниками, но возможности их использо вания ограниченны. Новое оборудование позволит производить посадку при нулевой видимости. Однако для этого потребуется, что бы, вопер вых, в любой ситуации пилот учитывал, что показания приборов не все гда соответствуют реальному местонахождению самолета, и в экстрен ных случаях вносил поправки в режим полета. (При посадке отклонение от заданной траектории не должно превышать 10 м.) Вовторых, авиаци онные системы должны иметь очень высокую степень надежности.

Представители Федерального управления гражданской авиации США предложили две системы, основанные на базе DGPSтехнологии. В наземную часть комплекса входят приемнопередающие антенны, свя занные с центром управления. В 2003 г. появилась сеть наземных стан ций WAAS, которая позволяет в режиме реального времени корректиро вать координаты всех пользователей GPS. (Над подобными системами работают инженеры Европы, Китая, Японии, Индии, Австралии и Бра зилии.) В случае ошибки WAAS в течение 7 секунд вносит коррекцию в DGPSпользователя. Благодаря этому при заходе на посадку пилот мо жет вести самолет до высоты 100 м. В зоне аэропорта экипаж переходит на режим пилотирования с использованием наземного навигационного оборудования.

Со временем навигационные комплексы LAAS, работающие в ко ротковолновом диапазоне, смогут обеспечить приземление при нулевой видимости с использованием канала L5. Военноморские силы США разрабатывают для авианосцев систему точного наведения и посадки са молета JPALS, в основе которой лежит принцип DGPSсистемы, рабо тающей с каналами L1 и L2. При заходе на посадку и приземлении лет чик морской авиации должен контролировать расстояние до палубы авианосца с точностью до 1 м, чтобы специальный крюк на корпусе са молета смог зацепить тормозной канат. Испытания системы JPALS нач нутся в 2006 г.

Ученые и инженеры уже трудятся над созданием GPS системы третьего поколения. Запуск новых спутников произойдет не ранее 2012 г. За счет использования спутниковой связи и установки на них более мощных вычислительных комплексов существенно расширятся u1074 возможности системы.