ASUS ROG Phone 5 Review
СтатьиТехнологииЧто такое GPS: Типы систем позиционирования, как работает и какое будущее

Что такое GPS: Типы систем позиционирования, как работает и какое будущее

-

Что такое GPS? Для чего нам она нам нужна? В чем разница между различными навигационными системами? Обо всем расскажем в этой статье.

В настоящее время GPS кажется нам обыденной, привычной вещью, о которой все слышали, и большинство пользуется в повседневной жизни. Это один из инструментов, которые мы используем в своих устройствах. При этом даже не задумываемся над тем, как это работает, откуда оно взялось, сколько времени, усилий и средств нужно было вложить в создание этой системы. Сегодня приемники GPS-сигнала имеют не только  навигаторы, телефоны, смартфоны, планшеты, автомобили, но даже фитнес-браслеты и «умные» часы, их данные используются в промышленности, любительском и профессиональном спорте, ралли и гонках, и, конечно, в военной области. Давайте рассмотрим различные навигационные системы ближе.

Что такое спутниковая навигация?

Спутниковая навигация, или Глобальная навигационная спутниковая система — это система спутников, которая передает данные о глобальном позиционировании и точное время. Для передачи информации используются радиоволны определенных частот. Получив такие данные, приемник обрабатывает их и показывает координаты нашего местоположения, то есть, долготу, широту и высоту над уровнем моря.

Кроме базовых систем (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo), в космосе существуют также вспомогательные системы. Это так называемые спутниковые системы коррекции (SBAS), такие как Global Omnistar и StarFire, используемые в сельском хозяйстве.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє
Над нами также есть региональные системы поддержки, такие как WAAS в США, EGNOS в ЕС, MSAC в Японии и GAGAN в Индии, которые заботятся об уточнении данных на меньших участках земной поверхности. Все это поддерживается наземными компонентами, о которых мы поговорим далее. В системе очень много определений, но мы не будем вдаваться в подробности.

Читайте также: Наиболее важные и интересные космические миссии в 2021 году

Типы спутниковой навигации

GPS — это не единственная в настоящее время система спутниковой навигации. Над нашими головами летают несколько типов спутников, ответственных за геопозиционирование устройств, которые мы держим в карманах, носим на запястье или используем в навигаторах. Почему существует несколько систем, а не одна? Уверен, этот вопрос ставили перед собой большинство рядовых пользователей. Дело в том, что изначально система GPS создавалась для военных нужд, и военные до сих пор имеют над ней контроль. Это означает, что они контролируют позиционирование всего и везде в мире. Конечно, такое положение не нравилось многим, не только противникам, но даже друзьям. Поэтому серьезные мировые игроки решили заняться разработкой своих навигационных систем, чтобы именно их армия имела над ними контроль. Вскоре в мире появились аналоги GPS, которые соревнуются между собой за звание самой лучшей и точной на рынке. Для нас, простых пользователей, это является только плюсом. Итак, давайте попробуем разобраться с каждой системой отдельно.

Американская GPS

Это первая навигационная система, которую мы используем чаще всего. Когда думаем о спутниковой навигации, мы обычно используем термин GPS. Американская система сначала называлась NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, или короче NAVSTAR-GPS.

GPS находится в руках вооруженных сил США, а точнее Космических сил США. Проверка правильной работы всех устройств осуществляется подразделением Space Delta 8, которое находится на базе ВВС США Шривер, расположенной вблизи Колорадо-Спрингс, и работает как часть Главного управления GPS.

Гражданские программы являются лишь незначительным дополнением к военным программам, для которых приоритетом является компоновка и высочайшая точность позиционирования. Гражданские пользователи получают несколько усеченную версию, но она все еще достаточно хорошая. Нам не нужна точность в несколько десятков сантиметров, чтобы ездить на машине или бегать, но все большая точность надо, например, для навигации, в картографии, в сельском хозяйстве для мониторинга полей, транспортным компаниям для слежения за автотранспортом и во многих других сферах. Поэтому неудивительно, что система GPS постоянно меняется, происходит оптимизация работы спутников.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

За время использования система изменилась, она до сих пор модернизируется, время от времени в сеть вводятся спутники с большими возможностями, а старые, которые использовались ранее, со временем уничтожаются. Большинство из них сгорает в атмосфере, а иногда обломки затапливают в Тихом океане.

Полная готовность системы GPS была достигнута в 1993 году, когда на орбиту было выведено необходимое количество спутников. Но еще в 1983 году состоялось утверждение администрацией Рональда Рейгана разрешения на гражданское использование системы. Это произошло после того, как СССР сбил корейский гражданский самолет, который случайно нарушил советское воздушное пространство. Однако сначала точность системы для гражданского населения была ограничена до 100 метров. Но и этого на то время было достаточно, чтобы избежать дальнейших катастроф.

Работа системы GPS из космоса дополнительно поддерживается спутниками WAAS (Wide Area Augmentation System), что обеспечивает необходимую коррекцию данных для повышения точности системы. Они расположены в Северной Америке (и частично в Южной Америке) и находятся под опекой FAA (Федеральной авиационной администрации). WAAS предназначена для поддержки гражданских программ спутниковой навигации.

Российская ГЛОНАСС

ГЛОНАСС — это аббревиатура от Глобальная Навигационная Спутниковая Система, которая работает аналогично американской GPS. ГЛОНАСС состоит из 24 действующих спутников, расположенных примерно в 19 100 километрах над землей, а облет спутника вокруг Земли занимает 11 час 15 минут. Испытания системы начались в 1982 году, то есть еще в СССР. Она в действительности создавалась, как ответ на разработки американцев, более известные у нас как «Звездные войны». Советский Союз ни в чем не хотел уступать США, но «Перестройка, гласность, ускорение» сделали свое дело. Работы были в основном свернуты из-за недостатка средств. Хотя, как выяснилось потом, не все было закрыто. Для американцев действительно было неожиданностью, когда в 1993 году было официально сообщено о готовности к эксплуатации системы ГЛОНАСС. В 1995 году россияне сумели вывести на орбиту целое созвездие из 24 спутников.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєНо с самого начала не все было так хорошо. Ельцинская эпоха девяностых годов также повлияла на космические программы. Финансирования не было, космос и спутниковая навигация никого не интересовали. Как результат, в 2002 году только 7 спутников все еще работали. Однако россияне взялись за работу, и в рамках программы восстановления 2002-2011 годов ввели в эксплуатацию усовершенствованные спутники ГЛОНАСС-К, а также сопутствующие современные системы наземного управления.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєНа следующем этапе модернизации, в 2012-2020 годах, основное внимание было уделено совершенствованию свойств PNT (позиционирование, навигация и синхронизация) с целью повышения безопасности государства и возможностей ее оборонных и гражданских систем. В настоящее время идет работа над спутниками следующего поколения, известными как ГЛОНАСС-К2.

Китайская BeiDou

Китай приступил к разработке спутниковой навигационной системы в конце XX века. В 2000 году им удалось осуществить первый этап разработок BDS-1, которая более известна, как навигационная спутниковая система BeiDou-1. В рамках этого проекта были обеспечены системами позиционирования Китай и ближайшие зарубежные страны. Следующим шагом стала BDS-2 со спутниковой сетью, которая обеспечивает покрытие в Азиатско-Тихоокеанском регионе. В 2020 году, как часть проекта BDS-3, система BeiDou начала действовать во всем мире.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєВ настоящее время на орбите находится 35 спутников, а в целом программа уже осуществила 59 запусков с полезной нагрузкой, которые выводят на орбиту следующие поколения системы BeiDou. По заверениям китайских властей, более 400 агентств и 300 000 ученых и технических работников принимали участие в создании программы BDS-3. Для поддержки последнего созвездия спутников создано более 40 наземных станций для мониторинга корректной работы системы. Глобальная доступность системы оценивается в 99%, а для ключевого Азиатско-Тихоокеанского региона она даже больше, то есть работает там почти идеально. Также китайцами было приложено много усилий для повышения точности работы системы.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

BeiDou также позволяет передавать короткие текстовые сообщения размером до 14 000 бит (1000 китайских символов). Это значение может также включать фотографии или звукозаписи. Как и в случае с другими разработками спутниковых навигационных систем — местные пользователи платят за услугу, но результаты действительно впечатляют.

Читайте также: Китай тоже рвется осваивать космос. И как у них дела? 

Европейская Galileo

В чем самое большое преимущество системы Galileo? В отличие от GPS и ГЛОНАСС, она остается в гражданских руках, и не принадлежат какому-либо конкретному правительству, как это происходит в коммунистическом Китае. Система была построена только с учетом гражданского рынка, и поэтому потребности населения окончательно влияют на ее развитие. Следует признать, что Galileo — это глоток свежего воздуха среди милитаризированных систем позиционирования. Сейчас программа Galileo завершила 28 запусков и вывела на орбиту 30 спутников. В настоящее время система использует полное созвездие спутников, но не все устройства всегда доступны, а некоторые из них до сих пор ждут своей очереди на складах.

Сегмент наземного управления расположен в двух центрах — Оберпфаффенхофене в Германии и Фучино в Италии. Кроме того, система включает всемирную сеть сенсоров мониторинга, станций обработки и передачи данных.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєТак как орбиты всех этих систем становятся все более насыщенными, спутники Galileo расположены чуть выше, на высоте 23 222 километров (самая низкая — ГЛОНАСС, потом GPS, китайская BeiDou и на вершине пирамиды Galileo). Нужно примерно 14 часов, чтобы каждый спутник полностью облетел землю. Для большинства мест на земле постоянно доступны от 6 до 8 спутников Galileo, что означает очень высокую точность, которая в большинстве ситуаций измеряется сантиметрами, а не метрами.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєGalileo совместима с системой GPS, что позволяет дополнительно повысить точность измерений, а ее работу также поддерживает система EGNOS (Европейская служба геостационарной навигации), состоящая из наземных компонентов и спутников, ответственных за улучшение работы и точности спутниковых навигационных систем.

Японская MICHIBIKI (Мічібікі)

Чтобы обеспечить точность навигации на собственной территории, Япония создала небольшое созвездие спутников под названием Квази-Зенитная спутниковая система (QZSS) или Мичибики. В горной или сильно урбанизированной местности одного GPS часто недостаточно из-за слишком большого количества препятствий. 4 спутника, работающие с ноября 2018 года, устраняют эту проблему. Три из них до сих пор находятся в регионе Азии и Океании. В 2024 году планируется достичь спутникового созвездия, состоящего из 7 единиц. Это еще больше улучшит общую эффективность системы и сделает ее независимой от GPS. Таким образом, Япония обеспечит полную автономность на своей территории.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

Несмотря на небольшие размеры по сравнению с другими системами, QZSS отвечает всем потребностям населения Японии, а также дополнительно поддерживает судоходство во всех тех странах, которые расположены на меридианах, проходящих через территорию Японии.

Кроме того, Япония также имеет систему точного поддержания GPS/Michibiki, которая называется MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Она состоит из 2 спутников, которые, помимо прочего, предоставляют данные о погоде.

Индийская NavIC

NavIC (NAVigation with Indian Constellation) — индийский аналог GPS, который еще называют Индийской региональной навигационной спутниковой системой (IRNSS). Система после достижения всех своих возможностей будет похожа по своей работе на японскую. В настоящее время на орбите находится 7 спутников, которые обеспечивают позиционирование в Индии и на расстоянии до 1500 километров от границ страны. Система не зависит от GPS.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєРабота NavIC поддерживается системой GAGAN (геосинхронная дополненная навигационная система с поддержкой GPS), которая состоит из трех дополнительных спутников и наземной инфраструктуры. Благодаря введению ее в эксплуатацию разрыв между системами EGNOS и MSAS был преодолен, что еще больше повысило уровень безопасности гражданской авиации.

Глобальные вспомогательные системы

Описывая отдельные системы, мы также упомянули региональные системы поддержки. Однако функционирование спутниковой навигации за пределами региональной может также поддерживать глобальные системы помощи. В настоящее время можно выделить две из них. Это Omnistar и StarFire. Обе они имеют поддержку спутниковой навигации, и в основном используются для нужд современного точного земледелия. Для их использования нужны специальные приемники, благодаря которым фермер, двигаясь по своим полям, может работать с точностью до 5-10 сантиметров (рекордные системы поддержки дают точность 1-2 сантиметра). Такое точное позиционирование предоставляется как услуга и требует дополнительных платежей, которые оплачиваются непосредственно за доставку данных системы.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

Услуга базируется на системе дифференциального глобального позиционирования (DGPS) и сводится к использованию базового приемника, который находится в определенном месте. Приемник на машине, кроме спутникового сигнала, также получает коррекции от стационарного базового приемника.

Omnistar является независимой компанией, и ее передатчики можно приобрести для различных машин, тогда как за системой StarFire стоит производитель сельскохозяйственной техники John Deere, который предлагает уже встроенные или внешние системы, имеющие точность ± 3 см и сотрудничает с GPS и ГЛОНАСС.

Как работает GPS?

В этом разделе мы опишем работу GPS на примере оригинала, то есть американской версии, потому что сейчас мы имеем о ней наибольшее количество доступных данных. Другие работают аналогично.

Созвездие спутников GPS

Для надлежащей работы по всему миру необходима достаточно плотная сеть спутников. В случае с созвездием из 24 спутников мы можем быть уверенными, что в любое время и в любой точке Земли находимся в диапазоне действия четырех из них. Американцы вообще пообещали, что по крайней мере 24 будут доступны в 95% случаев. Сейчас система поддерживается 31 спутником. Земля разделена на 6 равных зон, по которым движутся спутники, и каждая из них имеет 4 поля для покрытия.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєВ июне 2011 года была запущена модификация, которая называется Expendable 24. Три из 24 спутников и, следовательно, поля, которыми они управляют, были усилены дополнительным спутником для того, чтобы получить более быстрое улавливание сигнала и лучшую точность в сложных условиях местности. Также осуществлены некоторые изменения для того, чтобы сделать всю сеть из 27 спутников максимально эффективной.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєСпутники GPS движутся на определенной орбите MEO (средние орбиты Земли) на высоте примерно 20 200 км, поэтому всегда известно, где они находятся. Кроме того, их положение контролируется с помощью радиотелескопов. Сеть наземного управления состоит из главного центра управления, резервного центра управления, 11 командно-контрольных антенн и 16 станций слежения, поэтому положение спутников всегда находится под контролем. Одно обращение каждого спутника вокруг Земли занимает 12 часов.

Как это работает на практике?

Расположенный на орбите спутник постоянно передает радиосигналы, которые улавливает наше оборудование, имеющее соответствующие приемники. Каждый спутник передает свое положение и время передачи. Зная дополнительно, как быстро движутся радиоволны, мы можем рассчитать расстояние от этого спутника. Если получить дополнительные данные еще от трех спутников и загрузить данные сразу из четырех, устройство вычислит наше точное местоположение на пересечении данных, поступающих от всех спутников.

Чтобы все работало гладко и точно, нам еще нужны точные измерения времени отправки сигнала. Как этого удалось достичь? Каждый из спутников несет атомные часы — самый точный хронометр, когда-либо изобретенный человеком. Какая точность таких часов? Время измеряется с точностью до миллионной доли секунды!

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

Принимающее устройство использует все эти данные для эффективного вычисления нашего положения. Но вся система еще и должна учитывать такие вопросы, как специальная теория относительности, которую описал джентльмен, широко известный как Альберт Эйнштейн. Чем дальше предмет находится от источника гравитации, тем быстрее на нем идет время, поэтому приходится на каждом спутнике делать перерасчет. Одним словом, все это довольно сложно, но, к счастью, мы уже много лет используем эту систему и убедились, что это работает, и работает достаточно неплохо.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

Конечно, для нормальной работы системы требуется участие высококвалифицированного персонала, уровень подготовки которого можно сравнить с тем, что работает в Центрах управления космическими полетами.

GPS: миллиардные расходы на программу

После запуска на орбиту спутник будет работать там не вечно. Старые версии имеют жизненный цикл 7,5 лет, новые — 12 лет, а последняя GPS III / IIIF система, которая ожидается, останется на орбите в течение 15 лет (данные для американской версии системы). После этого срока должна состояться замена аппарата, поэтому нужно построить новый образец, причем, в стерильных условиях, и уже тогда это произведение искусства сможет выйти на орбиту.

Помимо оборудования в космосе, на земле также располагается оборудование для мониторинга и высококвалифицированный персонал, ответственный за контроль системы. Работа над совершенствованием наземного компонента также продолжается, и сейчас основное внимание уделяется новой системе оперативного управления следующего поколения (OCX) и смежным подсистемам. Изменения вводятся постепенно, чтобы не нарушить работу всей системы GPS.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнєЕжегодно на поддержку всей системы тратится около $1,7 млрд (2020 финансовый год). На 2021 финансовый год разработчики запросили у конгресса США $1,8 млрд на расходы по поддержанию работы системы GPS. Поэтому, с учетом таких сумм, лишь крупнейшие страны могут позволить себе поддерживать автономную систему, а остальные должны использовать те, что есть. Чтобы показать, как растет стоимость программы, можно только сказать, что в 2012 году она составляла 750 млн долларов (мы здесь даже не учитываем инфляцию, методологию расчета и ее уровень).

Легко ли заблокировать GPS?

Золотые времена системы GPS в вооруженных силах понемногу забываются. Затухание и блокировка спутниковых сигналов становится все более распространенным явлением, и как результат, точное вооружение, основанное только на космических данных, перестало быть таким же эффективным, как раньше. Проблема касается не только самого оружия, но и самолетов, кораблей, наземных транспортных средств и любых других устройств, оснащенных GPS-приемниками.

Мы не раз видели примеры блокирования сигнала GPS в «горячих» точках Земли. Бывало, что огромные корабли, находящиеся в порту, или плывущие, например, в Черном море, внезапно исчезали с карт и появлялись на них в 30 километрах, и это связано с действиями россиян в этом регионе. Продолжая эту тему, следует сказать, что подобные меры часто применяются в Сирии для обеспечения деятельности российских баз в регионе. Даже Израиль страдает от подобного вмешательства, где GPS иногда работает хуже, и это является серьезной проблемой, например для гражданского воздушного движения.

Система GPS. Типи, історія, опис експлуатації та майбутнє

Вмешательство в сигнал GPS не является особенно сложным делом. Радиопередатчик соответствующей мощности и частоты, размещенный вблизи защищенной цели, мешает приемникам GPS получать правильные данные. Производители спутников пытаются бороться с этим, разрабатывая все более устойчивое к помехам оборудование, которым оснащаются последние версии. Однако это игра в кошки-мышки, и преимущество на стороне разрушителей. Они могут быстрее реагировать на изменения благодаря меньшим затратам и большим возможностям. Ведь спутники не меняются за неделю.

В дополнение к коварным целям, блокировка сигналов GPS также используются и для защиты глав государств. Неудивительно, что именно россияне особенно любят такие методы. Особенно это касается перемещений Путина, которые настолько пытаются скрыть, что в регионе, в котором он находится, на время могут вовсе не работать все системы навигации. Россияне максимально защищают маршрут перемещения своего президента, потому блокировкой систем навигации они пытаются, по крайней мере частично, исключить атаку беспилотников.

Несмотря на вышеуказанные проблемы и недостатки, не следует ожидать отхода военных от системы GPS. Напротив, будет усиливаться борьба с системами глушения, а дополнительные системы, препятствующие блокированию сигнала GPS, будут добавлены к оборудованию и средствам вооружения.

Инерционная навигация будет совершенствоваться все больше, а прецизионное оружие всегда будет иметь в резерве другой, столь же эффективный метод прицеливания. В настоящее время проводится интенсивная работа над такими решениями. Есть разговоры о навигации изображениями, астронавигации (возврат в прошлое?) и навигации с помощью магнитных аномалий. Высокие технологии! Поэтому нас еще ждет много интересного.

Спутниковая навигация для гражданских целей

Но рядовому пользователю не очень интересно, что там у военных. Мы хотим, чтобы GPS помогала нам правильно определять наше местоположение, чтобы навигатор правильно прокладывал маршрут походов в горах или утренней пробежки, или во время путешествия на автомобиле. Сейчас уже трудно себе представить жизнь современного человека без этих удобств.

В принципе, можно сказать, что даже если мы не используем GPS непосредственно, то есть не включаем приемник сами, то мы все равно можем им пользоваться. Система самостоятельно работает, она стала привычной, удобной и необходимой частью нашей жизни.

Читайте также:

Yuri Svitlyk
Сын Карпатских гор, непризнанный гений математики, "адвокат" Microsoft, практичный альтруист, левоправосек
0 0 голоса
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии