Ce este GPS-ul? De ce avem nevoie de ea? Care este diferența dintre diferitele sisteme de navigație? Despre totul vom vorbi în acest articol.
În prezent, GPS-ul ni se pare a fi un lucru de zi cu zi, familiar despre care toată lumea a auzit și despre care majoritatea îl folosesc în viața de zi cu zi. Acesta este unul dintre instrumentele pe care le folosim în dispozitivele noastre. În același timp, nici nu ne gândim cum funcționează, de unde a venit, cât timp, efort și bani au trebuit investiți în crearea acestui sistem. Astăzi, receptoarele de semnal GPS au nu numai navigatori, telefoane, smartphone-uri, tablete, mașini, dar chiar și brățări fitness și ceasuri „inteligente”, datele lor sunt folosite în industrie, sport de amatori și profesioniști, raliuri și curse și, bineînțeles, în industria militară. Să aruncăm o privire mai atentă asupra diferitelor sisteme de navigație.
Ce este navigația prin satelit?
Navigația prin satelit, sau Global Navigation Satellite System, este un sistem de sateliți care transmite date despre poziționarea globală și ora precisă. Undele radio de anumite frecvențe sunt folosite pentru a transmite informații. După ce primește astfel de date, receptorul le calculează și afișează coordonatele locației noastre, adică longitudinea, latitudinea și altitudinea deasupra nivelului mării.
Pe lângă sistemele de bază (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), există și sisteme auxiliare în spațiu. Acestea sunt așa-numitele sisteme de corecție prin satelit (SBAS), precum Global Omnistar și StarFire, utilizate în agricultură.
Deasupra noastră se află și sisteme regionale de asistență, cum ar fi WAAS în SUA, EGNOS în UE, MSAC în Japonia și GAGAN în India, care se ocupă de rafinarea datelor în zone mai mici ale globului. Toate acestea sunt susținute de componente la sol, despre care vom vorbi mai târziu. Există o mulțime de definiții în sistem, dar nu vom intra în detalii.
Citeste si: Cele mai importante și interesante misiuni spațiale din 2021
Tipuri de navigație prin satelit
GPS nu este singurul sistem de navigație prin satelit disponibil în prezent. Mai multe tipuri de sateliți zboară deasupra capetelor noastre, responsabili de geo-poziționarea dispozitivelor pe care le ținem în buzunare, le purtăm la încheieturi sau le folosim în navigatoare. De ce există mai multe sisteme și nu unul? Sunt sigur că această întrebare a fost pusă de majoritatea utilizatorilor obișnuiți. Cert este că inițial sistemul GPS a fost creat pentru nevoi militare, iar armata încă deține controlul asupra acestuia. Aceasta înseamnă că ei controlează poziționarea tuturor și peste tot în lume. Desigur, multora nu le-a plăcut această poziție, nu doar adversarilor, ci chiar prietenilor. Prin urmare, jucătorii serioși din lume au decis să-și dezvolte sistemele de navigație astfel încât armata lor să aibă control asupra lor. Curând, analogii GPS au apărut în lume, concurând între ei pentru titlul de cel mai bun și mai precis de pe piață. Pentru noi, utilizatorii obișnuiți, acesta este doar un avantaj. Deci, să încercăm să ne ocupăm de fiecare sistem separat.
GPS american
Acesta este primul sistem de navigație pe care îl folosim cel mai des. Când ne gândim la navigația prin satelit, folosim de obicei termenul GPS. Sistemul american a fost inițial numit NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System sau NAVSTAR-GPS pe scurt.
GPS-ul este în mâinile armatei SUA, sau mai degrabă a Forței Spațiale SUA. Toate dispozitivele sunt verificate pentru funcționarea corectă de către Space Delta 8, care are sediul la baza Shriver Air Force lângă Colorado Springs și funcționează ca parte a sediului GPS.
Aplicațiile civile sunt doar o adăugare minoră la aplicațiile militare, pentru care aspectul și cea mai mare precizie de poziționare sunt o prioritate. Utilizatorii civili primesc o versiune oarecum trunchiată, dar este totuși suficient de bună. Nu avem nevoie de o precizie de câteva zeci de centimetri pentru a conduce o mașină sau a alerga, dar este nevoie de o precizie din ce în ce mai mare, de exemplu, în navigație, în cartografie, în agricultură pentru a monitoriza câmpurile, în companiile de transport pentru a urmări vehiculele și în multe alte domenii. Prin urmare, nu este surprinzător că sistemul GPS se schimbă constant, are loc optimizarea sateliților.
În timpul utilizării, sistemul a suferit modificări și este încă în curs de modernizare, din când în când în rețea sunt introduși sateliți cu capacități mai mari, iar cei vechi care erau utilizați anterior sunt distruși în timp. Cele mai multe dintre ele ard în atmosferă și, uneori, resturile se scufundă în Oceanul Pacific.
Pregătirea completă a sistemului GPS a fost atinsă în 1993, când numărul necesar de sateliți a fost pus pe orbită. Dar în 1983, administrația lui Ronald Reagan a aprobat un permis de utilizare civilă a sistemului. Acest lucru s-a întâmplat după ce URSS a doborât un avion civil coreean care a încălcat din greșeală spațiul aerian sovietic. Cu toate acestea, inițial precizia sistemului pentru populația civilă a fost limitată la 100 de metri. Dar chiar și acest lucru era suficient la acel moment pentru a evita noi dezastre.
Funcționarea sistemului GPS din spațiu este susținută suplimentar de sateliții WAAS (Wide Area Augmentation System), care asigură corecția necesară a datelor pentru a crește acuratețea sistemului. Acestea sunt situate în America de Nord (și parțial în America de Sud) și sunt sub îngrijirea FAA (Administrația Federală a Aviației). WAAS este destinat să sprijine aplicațiile civile de navigație prin satelit.
GLONASS rusesc
GLONASS este o abreviere pentru Global Navigation Satellite System, care funcționează similar cu GPS-ul american. GLONASS este format din 24 de sateliți activi situati la aproximativ 19 de kilometri deasupra pământului, iar orbita satelitului durează 100 ore și 11 minute. Testarea sistemului a început în 15, adică înapoi în URSS. A fost creat într-adevăr ca un răspuns la evoluțiile americane, mai cunoscut la noi ca „Războiul Stelelor”. Uniunea Sovietică nu a vrut să cedeze SUA în nimic, dar „Perestroika, glasnost, accelerare” și-a făcut treaba. Lucrările au fost în mare parte întrerupte din cauza lipsei de fonduri. Deși, după cum sa dovedit mai târziu, nu totul a fost închis. A fost într-adevăr o surpriză pentru americani când în 1982 s-a anunțat oficial că sistemul GLONASS este gata de funcționare. În 1993, rușii au reușit să pună pe orbită o întreagă constelație de 1995 de sateliți.
Dar totul nu a fost atât de bine de la început. Epoca Eltsin a anilor '2002 a afectat și programele spațiale. Nu a existat finanțare, nimeni nu era interesat de spațiu și de navigație prin satelit. Ca urmare, în 7 doar 2002 sateliți erau încă operaționali. Cu toate acestea, rușii s-au apucat de treabă și, ca parte a programului de recuperare 2011-XNUMX, au pus în funcțiune sateliții îmbunătățiți GLONASS-K, precum și sistemele moderne de control la sol aferente.
La următoarea etapă de modernizare, în perioada 2012-2020, atenția principală a fost acordată îmbunătățirii proprietăților PNT (poziționare, navigare și sincronizare) în vederea creșterii securității statului și a capacităților sistemelor sale de apărare și civile. În prezent, se lucrează la următoarea generație de sateliți, cunoscută sub numele de GLONASS-K2.
chinez BeiDou
China a început să dezvolte un sistem de navigație prin satelit la sfârșitul secolului al XX-lea. În 2000, au reușit să închidă prima etapă de dezvoltare a BDS-1, care este mai bine cunoscut sub numele de sistemul de navigație prin satelit BeiDou-1. În cadrul acestui proiect, China și cele mai apropiate țări străine au fost dotate cu sisteme de poziționare. Următorul pas a fost BDS-2 cu o rețea de satelit care oferă acoperire în regiunea Asia-Pacific. În 2020, ca parte a proiectului BDS-3, sistemul BeiDou a devenit operațional la nivel mondial.
În prezent, există 35 de sateliți pe orbită, iar în total, programul a efectuat deja 59 de lansări cu sarcini utile care pun pe orbită următoarele generații ale sistemului BeiDou. Potrivit autorităților chineze, la crearea programului BDS-400 au participat peste 300 de agenții și 000 de oameni de știință și tehnicieni. Pentru a sprijini cea mai recentă constelație de sateliți, au fost create peste 3 de stații terestre pentru a monitoriza funcționarea corectă a sistemului. Disponibilitatea globală a sistemului este estimată la 40%, iar pentru regiunea cheie Asia-Pacific este și mai mare, adică funcționează aproape perfect acolo. De asemenea, chinezii au făcut multe eforturi pentru a îmbunătăți acuratețea sistemului.
BeiDou permite, de asemenea, mesaje text scurte de până la 14 de biți (000 de caractere chinezești). Această valoare poate include și fotografii sau înregistrări audio.
Ca și în cazul altor evoluții în sistemele de navigație prin satelit, utilizatorii locali plătesc pentru serviciu, dar rezultatele sunt cu adevărat impresionante.
Citeste si: China este, de asemenea, dornică să exploreze spațiul. Deci, ce mai fac?
Galileo european
Care este cel mai mare avantaj al sistemului Galileo? Spre deosebire de GPS și GLONASS, acesta rămâne în mâinile civile și nu aparține niciunui guvern anume, așa cum este cazul Chinei comuniste. Sistemul a fost construit doar având în vedere piața civilă și, prin urmare, nevoile populației influențează în cele din urmă dezvoltarea acestuia. Desigur, Galileo este o gură de aer proaspăt printre sistemele de poziționare militarizate. Până acum, programul Galileo a finalizat 28 de lansări și a pus pe orbită 30 de sateliți. În prezent, sistemul folosește o constelație completă de sateliți, dar nu toate dispozitivele sunt întotdeauna disponibile, iar unele dintre ele încă își așteaptă rândul în depozite.
Segmentul de handling la sol este situat în două centre - Oberpfaffenhofen în Germania și Fucino în Italia. În plus, sistemul include o rețea mondială de senzori de monitorizare, stații de măsurare și transmisie de date.
Datorită faptului că orbitele tuturor acestor sisteme devin din ce în ce mai saturate, sateliții Galileo se află ceva mai sus, la o altitudine de 23 de kilometri (cel mai jos este GLONASS, apoi GPS, BeiDou al Chinei și în vârful piramidei Galileo). ). Este nevoie de aproximativ 222 ore pentru ca fiecare satelit să orbiteze complet în jurul Pământului. Pentru majoritatea locurilor de pe pământ, 14 până la 6 sateliți Galileo sunt disponibili în orice moment, ceea ce înseamnă o precizie foarte mare, care în majoritatea situațiilor se măsoară în centimetri și nu în metri.
Galileo este compatibil cu sistemul GPS, care îmbunătățește și mai mult acuratețea măsurătorilor, iar funcționarea acestuia este susținută și de sistemul EGNOS (Serviciul european de navigație geostaționară), format din componente terestre și sateliți responsabili cu îmbunătățirea funcționării și preciziei sistemelor de navigație prin satelit. .
japoneză MICHIBIKI (Michibiki)
Pentru a asigura acuratețea navigației pe propriul teritoriu, Japonia a creat o mică constelație de sateliți numită Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) sau Michibiki. În zonele muntoase sau puternic urbanizate, numai GPS-ul este adesea insuficient din cauza prea multor obstacole. 4 sateliți în funcțiune din noiembrie 2018 elimină această problemă. Trei dintre ei se află încă în regiunea Asia și Oceania. În 2024, este planificată să ajungă la o constelație de sateliti formată din 7 unități. Acest lucru va îmbunătăți și mai mult eficiența generală a sistemului și îl va face independent de GPS. Astfel, Japonia va asigura autonomie deplină pe teritoriul său.
În ciuda dimensiunilor sale mici în comparație cu alte sisteme, QZSS îndeplinește toate așteptările populației japoneze și, în plus, sprijină transportul în toate acele țări situate pe meridianele care trec prin teritoriul Japoniei.
În plus, Japonia are și un sistem de suport de precizie GPS/Michibiki numit MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Este format din 2 sateliți, care, printre altele, oferă date meteo.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) este analogul indian al GPS-ului, care este numit și Sistemul regional de navigație prin satelit indian (IRNSS). Sistemul, după ce și-a atins toate capacitățile, va fi similar în funcționare cu cel japonez. În prezent, există 7 sateliți pe orbită care asigură poziționarea în India și la o distanță de până la 1500 de kilometri de granițele țării. Sistemul nu depinde de GPS.
NavIC este susținut de GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), care constă din trei sateliți suplimentari și infrastructură terestră. Odată cu introducerea în exploatare, decalajul dintre sistemele EGNOS și MSAS a fost eliminat, sporind și mai mult nivelul de siguranță a aviației civile.
Sisteme globale de ajutor
În timpul descrierii sistemelor individuale, am menționat și sistemele regionale de sprijin. Cu toate acestea, operarea navigației prin satelit dincolo de granițele regionale poate sprijini și sistemele globale de asistență. În prezent, două dintre ele pot fi distinse. Acestea sunt Omnistar și StarFire. Ambele au suport pentru navigația prin satelit, care este folosită mai ales pentru nevoile agriculturii moderne de precizie. Utilizarea lor necesită receptoare speciale, datorită cărora fermierul, deplasându-se prin câmpurile sale, poate lucra cu o precizie de până la 5-10 centimetri (sistemele de suport pentru înregistrări oferă o precizie de 1-2 centimetri). O astfel de poziționare precisă este oferită ca un serviciu și necesită taxe suplimentare plătite direct pentru livrarea datelor de sistem.
Serviciul se bazează pe Sistemul de poziționare globală diferențială (DGPS) și se rezumă la utilizarea unui receptor de bază care este situat într-o locație specificată. Receptorul de pe mașină, pe lângă semnalul satelitului, primește și corecții de la receptorul de bază staționară.
Omnistar este o companie independentă și emițătoarele sale pot fi achiziționate pentru o varietate de mașini, în timp ce sistemul StarFire este de la producătorul de echipamente agricole John Deere, care oferă sisteme încorporate sau externe cu precizie de ± 3 cm și funcționează cu GPS și GLONASS.
Cum funcționează GPS-ul?
În această secțiune, vom descrie funcționarea GPS-ului folosind originalul, adică versiunea americană, deoarece avem în prezent cele mai multe date disponibile despre acesta. Alții lucrează la fel.
Constelație de sateliți GPS
O rețea destul de densă de sateliți este necesară pentru funcționarea corectă în întreaga lume. În cazul unei constelații de 24 de sateliți, putem fi siguri că în orice moment și în orice punct de pe Pământ ne aflăm în raza de acțiune a patru dintre ei. În general, americanii au promis că cel puțin 24 vor fi disponibile în 95% din timp. În prezent, sistemul este susținut de 31 de sateliți. Pământul este împărțit în 6 zone egale prin care se deplasează sateliții și fiecare dintre ele are 4 câmpuri de acoperit.
În iunie 2011, a fost lansată o modificare numită Expendable 24. Trei dintre cei 24 de sateliți și, prin urmare, câmpurile pe care le controlează, au fost amplificați de un satelit suplimentar pentru a obține o achiziție mai rapidă a semnalului și o precizie mai bună în condiții de teren dificile. Au fost și unele modificări pentru ca întreaga rețea de 27 de sateliți să fie cât mai eficientă.
Sateliții GPS se deplasează pe o orbită previzibilă MEO (Mean Earth Orbit) la o altitudine de aproximativ 20 km, astfel încât să știi întotdeauna unde se află. În plus, poziția lor este verificată cu ajutorul radiotelescoapelor. Rețeaua de control la sol este formată dintr-un centru de control principal, un centru de control de rezervă, 200 antene de comandă și control și 11 stații de observare, astfel încât poziția sateliților este întotdeauna cunoscută. O rotație a fiecărui satelit în jurul Pământului durează 16 ore.
Cum funcționează totul în practică?
Un satelit în orbită transmite în mod constant semnale radio care sunt preluate de echipamentele noastre care au receptoarele adecvate. Fiecare satelit își raportează poziția și timpul de transmisie. Știind în plus cât de repede se deplasează undele radio, putem calcula distanța de la acest satelit. Dacă primim date suplimentare de la încă trei sateliți și descarcăm date de la patru simultan, dispozitivul va calcula locația noastră la intersecția datelor care vin de la toți sateliții.
Pentru ca lucrurile să funcționeze fără probleme și cu acuratețe, avem nevoie de măsurători precise ale momentului în care este trimis semnalul. Cum s-a realizat acest lucru? Fiecare dintre sateliți poartă un ceas atomic - cel mai precis cronometru inventat vreodată de om. Care este precizia unui astfel de ceas? Timpul este măsurat cu cea mai apropiată milioneme de secundă!
Dispozitivul de recepție folosește toate aceste date pentru a calcula eficient poziția noastră. Dar întregul sistem trebuie să țină cont și de probleme precum teoria relativității speciale, care a fost scrisă de un domn cunoscut sub numele de Albert Einstein. Cu cât obiectul este mai departe de sursa gravitației, cu atât timpul trece mai repede pe el, așa că este necesar să se recalculeze pe fiecare satelit. Pe scurt, totul este destul de complicat, dar, din fericire, folosim acest sistem de ani de zile și am constatat că funcționează și funcționează destul de bine.
Desigur, funcționarea normală a sistemului necesită participarea unui personal înalt calificat, al cărui nivel de pregătire poate fi comparat cu cel al Centrelor de control al zborului spațial.
GPS: costuri de miliarde în program
După lansarea pe orbită, satelitul nu va funcționa acolo pentru totdeauna. Versiunile mai vechi au un ciclu de viață de 7,5 ani, versiunile mai noi 12 ani, iar cel mai recent sistem GPS III/IIIF este de așteptat să rămână pe orbită timp de 15 ani (date pentru versiunea americană a sistemului). După acest timp, aparatul trebuie înlocuit, așa că o nouă probă trebuie construită în condiții sterile și abia atunci această operă de artă poate intra pe orbită.
Pe lângă echipamentele din spațiu, există și echipamente de monitorizare la sol și personal cu înaltă pregătire responsabilă cu controlul sistemului. Lucrările de îmbunătățire a componentei la sol sunt de asemenea în desfășurare, cu un accent major acum pe noul sistem de control operațional (OCX) de ultimă generație și subsistemele aferente. Modificările sunt introduse treptat, pentru a nu perturba funcționarea întregului sistem GPS.
Aproximativ 1,7 miliarde de dolari (anul fiscal 2020) sunt cheltuiți pentru a susține întregul sistem. Pentru anul fiscal 2021, dezvoltatorii au cerut Congresului SUA 1,8 miliarde de dolari pentru costurile de întreținere a sistemului GPS. Prin urmare, având în vedere astfel de sume, doar cele mai mari țări își permit să mențină un sistem autonom, iar restul trebuie să le folosească pe cele existente. Pentru a arăta cum crește costul programului, putem spune doar că în 2012 a fost de 750 de milioane de dolari (nici măcar nu luăm în calcul inflația, metodologia de calcul și nivelul acesteia aici).
Este ușor să blocați GPS-ul?
Zilele de aur ale sistemului GPS în forțele armate sunt uitate încet. Atenuarea și bruiajul semnalelor satelitare devin din ce în ce mai frecvente și, în consecință, armele de precizie bazate exclusiv pe date spațiale nu mai sunt la fel de eficiente ca înainte. Problema afectează nu numai armele în sine, ci și aeronavele, navele, vehiculele terestre și orice alt dispozitiv care este echipat cu un receptor GPS.
Am văzut de mai multe ori exemple de blocare a semnalului GPS în punctele „fierbinți” de pe Pământ. S-a întâmplat că nave uriașe din port sau care navigau, de exemplu, în Marea Neagră, au dispărut brusc de pe hărți și au apărut pe ele la 30 de kilometri distanță, iar acest lucru este legat de acțiunile rușilor din această regiune. Continuând acest subiect, trebuie spus că măsuri similare sunt deseori întreprinse în Siria pentru a asigura funcționarea bazelor rusești în regiune. Chiar și Israelul suferă de acest tip de interferență, unde GPS-ul funcționează uneori mai rău, iar aceasta este o problemă serioasă, de exemplu pentru traficul aerian civil.
Interferența cu un semnal GPS nu este deosebit de dificilă. Un transmițător radio cu puterea și frecvența corespunzătoare, plasat lângă o țintă protejată, împiedică receptoarele GPS să primească datele corecte. Producătorii de sateliți încearcă să combată acest lucru prin dezvoltarea de semnale din ce în ce mai rezistente la interferențe care sunt echipate cu cele mai recente versiuni ale echipamentelor. Cu toate acestea, acesta este un joc de pisica și șoarecele, iar avantajul este de partea distrugătorilor. Ei pot răspunde la schimbări mai rapid cu costuri mai mici și capabilități mai mari. La urma urmei, sateliții nu se schimbă într-o săptămână.
Pe lângă scopurile insidioase, metodele de blocare GPS sunt folosite și pentru a proteja șefii de stat. Nu este de mirare că rușii sunt în mod deosebit pasionați de astfel de instrumente. Acest lucru este valabil mai ales pentru mișcările lui Putin, pe care încearcă atât de mult să le ascundă, încât în regiunea în care se află, toate sistemele de navigație s-ar putea să nu funcționeze deloc pentru o anumită perioadă de timp. Rușii își protejează cât mai mult ruta de călătorie a președintelui lor, așa că prin blocarea sistemelor de navigație încearcă, cel puțin parțial, să excludă un atac cu drone.
În ciuda problemelor și neajunsurilor menționate mai sus, nu trebuie să ne așteptăm ca armata să abandoneze sistemul GPS. Dimpotrivă, lupta împotriva sistemelor de bruiaj va fi intensificată, iar echipamentelor și armelor li se vor adăuga sisteme suplimentare care vor preveni bruiajul semnalului GPS.
Navigația inerțială va continua să se îmbunătățească, iar armele de precizie vor avea întotdeauna în rezervă o altă metodă de țintire, la fel de eficientă. În prezent, se lucrează intens la astfel de soluții. Se vorbește de navigare prin imagini, astronavigație (întoarcerea în timp?) și navigare cu anomalii magnetice. Tehnologie avansata! Prin urmare, mai avem o mulțime de lucruri interesante care ne așteaptă.
Navigație prin satelit în scopuri civile
Dar utilizatorul mediu nu este foarte interesat de ceea ce au armata acolo. Vrem ca GPS-ul să ne ajute să ne identificăm locația astfel încât navigator trasate corect traseul de drumeții la munte sau o alergare de dimineață sau în timpul unei călătorii cu mașina. Acum este dificil să ne imaginăm viața unei persoane moderne fără aceste facilități.
În principiu, putem spune că chiar dacă nu folosim direct GPS-ul, adică nu pornim singuri receptorul, îl putem folosi în continuare. Sistemul funcționează independent, a devenit o parte familiară, convenabilă și necesară a vieții noastre.
Citeste si:
