Що таке GPS: Типи систем позиціонування, як працює та яке майбутнє

Що таке GPS? Для чого нам вона нам потрібна? В чому різниця між різними навігаційними системами? Про все розкажемо у цій статті.

В даний час GPS здається нам буденною, звичною річчю, про яку всі чули і більшість використовує в повсякденному житті. Це один з інструментів, які ми використовуємо у своїх пристроях. При цьому навіть не замислюємось над тим, як це працює, звідки воно взялось, скільки часу, зусиль та коштів потрібно було вкласти в створення цієї системи. Сьогодні приймачі GPS-сигналу мають не тільки навігатори, телефони, смартфони, планшети, автомобілі, але навіть фітнес-браслети та “розумні” годинники, їх дані використовуються у промисловості, аматорському та професійному спорті, ралі та автоперегонах, і, звичайно, у військовій галузі. Давайте розглянемо різні навігаційні системи ближче.

Що таке супутникова навігація?

Супутникова навігація, або Глобальна навігаційна супутникова система – це система супутників, що передає дані про глобальне позиціонування та точний час. Для передачі інформації використовуються радіохвилі певних частот. Отримавши такі дані, приймач обчислює їх і показує координати нашого місця розташування, тобто, довготу, широту та висоту над рівнем моря.
Окрім базових систем (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo), в космосі існують також допоміжні системи. Це так звані супутникові системи корекції (SBAS), такі як Global Omnistar та StarFire, що використовуються в сільському господарстві.

Над нами також є регіональні системи підтримки, такі як WAAS в США, EGNOS в ЄС, MSAC в Японії та GAGAN в Індії, які дбають про уточнення даних на менших ділянках земної кулі. Все це підтримується наземними компонентами, про які ми поговоримо далі. В системі дуже багато визначень, але ми не будемо вдаватись у подробиці.

Читайте також: Найважливіші та найцікавіші космічні місії у 2021 році

Типи супутникової навігації

GPS – це не єдина на даний час система супутникової навігації. Над нашими головами літають кілька типів супутників, відповідальних за геопозиціонування пристроїв, які ми тримаємо в кишенях, носимо на зап’ястку або використовуємо у навігаторах. Чому існує кілька систем, а не одна? Упевнений, це питання ставили перед собою більшість пересічних користувачів. Справа в тому, що спочатку система GPS створювалася для військових потреб, і військові до сих пір мають над нею контроль. Це означає, що вони контролюють позиціонування всіх і всюди у світі. Звичайно, таке положення не подобалося багатьом, не тільки супротивникам, а навіть і друзям. Тому серйозні світові гравці вирішили зайнятися розробкою своїх навігаційних систем, щоб саме їхня армія мала над ними контроль. Незабаром у світі з’явилися аналоги GPS, які змагаються між собою за звання найкращої і найточнішої на ринку. Для нас, простих користувачів, це є тільки перевагою. Отже, давайте спробуємо розібратися з кожною системою окремо.

Американська GPS

Це перша навігаційна система, яку ми використовуємо найчастіше. Коли думаємо про супутникову навігацію, ми зазвичай використовуємо термін GPS. Американська система спочатку називалася NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, або коротше NAVSTAR-GPS.

GPS знаходиться в руках збройних сил США, а точніше Космічних сил США. Перевірка правильної роботи всіх пристроїв здійснюється підрозділом Space Delta 8, який знаходиться на базі ВПС США Шрівер, розташованій поблизу Колорадо-Спрінгс, і працює як частина Головного управління GPS.

Цивільні програми є лише незначним доповненням до військових програм, для яких пріоритетом є компонування та найвища точність позиціонування. Цивільні користувачі отримують дещо усічену версію, але вона все ще достатньо хороша. Нам не потрібна точність у кілька десятків сантиметрів, щоб їздити на машині або бігати, але дедалі більша точність треба, наприклад, для навігації, у картографії, у сільському господарстві для моніторингу полів, транспортним компаніям для стеження за автотранспортом та в багатьох інших сферах. Тому й не дивно, що система GPS постійно змінюється, відбувається оптимізація роботи супутників.

За час використання система зазнала змін і досі модернізується, час від часу в мережу вводяться супутники з більшими можливостями, а старі, що використовувалися раніше, з часом знищуються. Більшість з них згорає в атмосфері, а подеколи уламки затоплюють у Тихому океані.

Повна готовність системи GPS була досягнута в 1993 році, коли на орбіту було виведено необхідну кількість супутників. Але ще у 1983 році відбулося затвердження адміністрацією Рональда Рейгана дозволу на цивільне використання системи. Це сталося після того, як СРСР збив корейський цивільний літак, який помилково порушив радянський повітряний простір. Однак спочатку точність системи для цивільного населення була обмежена до 100 метрів. Але й цього на той час було достатньо, щоб уникнути подальших катастроф.

Робота системи GPS з космосу додатково підтримується супутниками WAAS (Wide Area Augmentation System), що забезпечує необхідну корекцію даних для підвищення точності системи. Вони розташовані у Північній Америці (і частково в Південній Америці) і перебувають під опікою FAA (Федеральної авіаційної адміністрації). WAAS призначена для підтримки цивільних програм супутникової навігації.

Російська ГЛОНАСС

ГЛОНАСС – це абревіатура від Глобальна Навігаційна Супутникова Система, яка працює аналогічно американській GPS. ГЛОНАСС складається з 24 діючих супутників, розташованих приблизно на відстані 19 100 кілометрів над землею, а обліт супутника навколо Землі займає 11 годин 15 хвилин. Випробування системи розпочалися в 1982 році, тобто ще у СРСР. Вона дійсно створювалась, як відповідь на розробки американців, більш відомі у нас як “Зоряні війни”. Радянський Союз ні в чому не хотів поступатись США, але “Перестройка, гласность, ускорение” зробили свою справу. Роботи були здебільшого згорнуті через нестачу коштів. Хоча, як з’ясувалось потім, не все було закрито. Для американців дійсно було несподіванкою, коли в 1993 році було офіційно повідомлено про готовність до експлуатації системи ГЛОНАСС. У 1995 році росіяни зуміли вивести на орбіту ціле сузір’я з 24 супутників.

Але з самого початку не все було так добре. Єльцинська епоха дев’яностих років також вплинула на космічні програми. Фінансування не було, космос і супутникова навігація нікого не цікавила. Як результат, у 2002 році лише 7 супутників все ще працювали. Однак росіяни взялися за роботу і в рамках програми відновлення 2002-2011 років ввели в експлуатацію вдосконалені супутники ГЛОНАСС-К, а також супутні сучасні системи наземного управління.

На наступному етапі модернізації, у 2012-2020 роках, основна увага була приділена вдосконаленню властивостей PNT (позиціонування, навігація і синхронізація) з метою підвищення безпеки держави та можливостей її оборонних та цивільних систем. В даний час триває робота над супутниками наступного покоління, відомими як ГЛОНАСС-К2.

Китайська BeiDou

Китай розпочав розробку супутникової навігаційної системи наприкінці XX століття. У 2000 році їм вдалося закрити перший етап розробок BDS-1, яка більш відома, як навігаційна супутникова система BeiDou-1. В рамках цього проекту було забезпечено системами позиціонування Китай та найближчі зарубіжні країни. Наступним кроком стала BDS-2 зі супутниковою мережею, що забезпечує покриття в Азійсько-Тихоокеанському регіоні. У 2020 році, як частина проекту BDS-3, система BeiDou почала діяти в усьому світі.

На даний час на орбіті знаходиться 35 супутників, а загалом програма вже здійснила 59 запусків з корисним навантаженням, що виводять на орбіту наступні покоління системи BeiDou. За запевненнями китайської влади, понад 400 агентств і 300 000 науковців та технічних працівників приймали участь у створенні програми BDS-3. Для підтримки останнього сузір’я супутників створено понад 40 наземних станцій для моніторингу коректної роботи системи. Глобальна доступність системи оцінюється у 99%, а для ключового Азійсько-Тихоокеанського регіону вона навіть більша, тобто працює там майже ідеально. Також китайцями було докладено багато зусиль для підвищення точності роботи системи.

BeiDou також дозволяє передавати короткі текстові повідомлення розміром до 14 000 біт (1000 китайських символів). Це значення може також включати фотографії або звукозаписи.

Як і у випадку з іншими розробками супутникових навігаційних систем – місцеві користувачі платять за послугу, але результати дійсно вражають.

Читайте також: Китай теж рветься освоювати космос. То як в них справи?

Європейська Galileo

У чому найбільша перевага системи Galileo? На відміну від GPS та ГЛОНАСС, вона залишається в цивільних руках, і не належать якомусь конкретному уряду, як це відбувається в комуністичному Китаї. Система була побудована лише з урахуванням цивільного ринку, і тому потреби населення остаточно впливають на її розвиток. Слід визнати, що Galileo – це ковток свіжого повітря серед мілітаризованих систем позиціонування. Наразі програма Galileo завершила 28 запусків і вивела на орбіту 30 супутників. На даний час система використовує повне сузір’я супутників, але не всі пристрої завжди доступні, а деякі з них й досі чекають на свою чергу на складах.

Сегмент наземного управління розташований у двох центрах – Оберпфаффенхофені в Німеччині та Фучіно в Італії. Крім того, система включає всесвітню мережу сенсорів моніторингу, станцій вимірювання та передачі даних.

Через те, що орбіти всіх цих систем стають усе більш насиченими, супутники Galileo розташовані трохи вище, на висоті 23 222 кілометрів (найнижча – ГЛОНАСС, потім GPS, китайська BeiDou і на вершині піраміди Galileo). Потрібно приблизно 14 годин, щоб кожен супутник повністю облетів землю. Для більшості місць на землі постійно доступні від 6 до 8 супутників Galileo, що означає дуже високу точність, яка в більшості ситуацій вимірюється сантиметрами, а не метрами.

Galileo сумісна з системою GPS, що додатково дозволяє підвищити точність вимірювань, а її роботу також підтримує система EGNOS (Європейська служба геостаціонарної навігації), що складається з наземних компонентів та супутників, відповідальних за покращення роботи та точність супутникових навігаційних систем.

Японська MICHIBIKI (Мічібікі)

Щоб забезпечити точність навігації на власній території, Японія створила невелике сузір’я супутників під назвою Квазі-Зенітна супутникова система (QZSS) або Мічібікі. У гірській або сильно урбанізованій місцевості одного GPS часто недостатньо через занадто велику кількість перешкод. 4 супутники, що працюють з листопада 2018 року, усувають цю проблему. Три з них досі знаходяться в регіоні Азії та Океанії. У 2024 році планується досягти супутникового сузір’я, що складатиметься з 7 одиниць. Це ще більше покращить загальну ефективність системи та зробить її незалежною від GPS. Таким чином, Японія забезпечить повну автономність на своїй території.

Незважаючи на невеликі розміри порівняно з іншими системами, QZSS відповідає всім очікуванням населення Японії, а також додатково підтримує судноплавство у всіх тих країнах, які розташовані на меридіанах, що проходять через територію Японії.

Крім того, Японія також має систему точної підтримки GPS/Michibiki, яка називається MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Вона складається з 2 супутників, які окрім іншого надають дані про погоду.

Індійська NavIC

NavIC (NAVigation with Indian Constellation) – індійський аналог GPS, який ще також називають Індійською регіональною навігаційною супутниковою системою (IRNSS). Система після досягнення всіх своїх можливостей буде схожою за своєю роботою на японську. На даний час на орбіті знаходиться 7 супутників, які забезпечують позиціонування в Індії та на відстані до 1500 кілометрів від кордонів країни. Система не залежить від GPS.

Робота NavIC підтримується системою GAGAN (геосинхронна доповнена навігаційна система з підтримкою GPS), яка складається з трьох додаткових супутників та наземної інфраструктури. Завдяки введенню в експлуатацію розрив між системами EGNOS та MSAS був подоланий, що ще більше підвищило рівень безпеки цивільної авіації.

Глобальні системи допомоги

Описуючи окремі системи, ми також згадали регіональні системи підтримки. Однак функціонування супутникової навігації за межами регіональної може також підтримувати глобальні системи допомоги. В даний час можна виділити дві з них. Це Omnistar та StarFire. Обидві вони мають підтримку супутникової навігації, що здебільшого використовується для потреб сучасного точного землеробства. Для їх використання потрібні спеціальні приймачі, завдяки яким фермер, рухаючись по своїх полях, може працювати з точністю до 5-10 сантиметрів (рекордні системи підтримки дають точність 1-2 сантиметри). Таке точне позиціонування надається як послуга і вимагає додаткових платежів, що сплачуються безпосередньо за доставку даних системи.

Послуга базується на системі диференціального глобального позиціонування (DGPS) і зводиться до використання базового приймача, який знаходиться у визначеному місці. Приймач на машині, крім супутникового сигналу, також отримує корекції від стаціонарного базового приймача.

Omnistar є незалежною компанією, і її передавачі можна придбати для різних машин, тоді як за системою StarFire стоїть виробник сільськогосподарської техніки John Deere, який пропонує вже вбудовані або зовнішні системи, що мають точність ±3 см і співпрацюють з GPS та ГЛОНАСС.

Як працює GPS?

У цьому розділі ми опишемо роботу GPS на прикладі оригіналу, тобто американської версії, тому що наразі ми маємо про неї найбільшу кількість доступних даних. Інші працюють аналогічно.

Сузір’я супутників GPS

Для належної роботи по всьому світу необхідна досить щільна мережа супутників. У випадку із сузір’ям з 24 супутників ми можемо бути впевненими, що в будь-який час і в будь-якій точці Землі знаходимось в діапазоні дії чотирьох з них. Американці взагалі пообіцяли, що принаймні 24 будуть доступні у 95% випадків. Наразі система підтримується 31 супутником. Земля розділена на 6 рівних зон, по яких рухаються супутники, і кожна з них має 4 поля для покриття.

У червні 2011 року була запущена модифікація, яка називається Expendable 24. Три із 24 супутників і, отже, поля, якими вони керують, були посилені додатковим супутником для того, щоб отримати більш швидке вловлювання сигналу та кращу точність у складних умовах місцевості. Також відбулися деякі зміни, щоб зробити всю мережу з 27 супутників максимально ефективною.

Супутники GPS рухаються на передбачуваній орбіті MEO (середні орбіти Землі) на висоті приблизно 20 200 км, тому завжди відомо, де вони знаходяться. Крім того, їх положення перевіряється за допомогою радіотелескопів. Мережа наземного управління складається з головного центру управління, резервного центру управління, 11 командно-контрольних антен та 16 станцій спостереження, тому положення супутників завжди відоме. Одне обертання кожного супутника навколо Землі займає 12 годин.

Як це все працює на практиці?

Розташований на орбіті супутник постійно передає радіосигнали, які вловлює наше обладнання, що має відповідні приймачі. Кожен супутник повідомляє своє положення та час передачі. Знаючи додатково, як швидко рухаються радіохвилі, ми можемо розрахувати відстань від цього супутника. Якщо одержати додаткові дані ще від трьох супутників і завантажити дані відразу з чотирьох, пристрій обчислить наше місце розташування на перетині даних, що надходять від усіх супутників.

Щоб все працювало гладко і точно, нам ще потрібні точні вимірювання часу надсилання сигналу. Як цього вдалося досягти? Кожен з супутників несе атомний годинник – найточніший хронометр, коли-небудь винайдений людиною. Яка точність такого годинника? Час вимірюється з точністю до мільйонної частки секунди!

Приймаючий пристрій використовує усі ці дані для ефективного обчислення нашого положення. Але ж уся система ще й повинна враховувати такі питання, як спеціальна теорія відносності, яку розписав джентльмен, широко відомий як Альберт Ейнштейн. Чим далі предмет знаходиться від джерела гравітації, тим швидше на ньому йде час, тому доводиться на кожному супутнику робити перерахунок. Одним словом, усе це досить складно, але, на щастя, ми вже протягом багатьох років використовуємо цю систему і впевнилися, що це працює, і працює досить непогано.

Звичайно, для нормальної роботи системи потрібна участь висококваліфікованого персоналу, рівень підготовки якого можна порівняти з тим, що працює в Центрах управління космічними польотами.

GPS: мільярдні витрати на програму

Після запуску на орбіту супутник буде працювати там не вічно. Старіші версії мають життєвий цикл 7,5 років, новіші – 12 років, а остання GPS III/IIIF система, яка очікується, залишиться на орбіті протягом 15 років (дані для американської версії системи). Після цього часу повинна відбутися заміна апарату, тому потрібно побудувати новий зразок у стерильних умовах, і вже тоді цей витвір мистецтва зможе вийти на орбіту.

Окрім обладнання в космосі, на землі є також обладнання для моніторингу та висококваліфікований персонал, відповідальний за контроль системи. Робота над вдосконаленням наземного компонента також триває, і зараз основна увага приділяється новій системі оперативного управління наступного покоління (OCX) та суміжним підсистемам. Зміни вводяться поступово, щоб не порушити роботу всієї системи GPS.

Щороку на підтримку всієї системи витрачається близько $1,7 млрд (2020 фінансовий рік). На 2021 фінансовий рік розробники просили у конгресу США $1,8 мільярда на витрати по підтримці роботи системи GPS. Тому, з огляду на такі суми, лише найбільші країни можуть дозволити собі підтримувати автономну систему, а решта повинні використовувати ті, що є. Щоб показати, як зростає вартість програми, можна лише сказати, що у 2012 році вона становила 750 мільйонів доларів (ми тут навіть не враховуємо інфляцію, методологію розрахунку та її рівень).

Чи легко заблокувати GPS?

Золоті часи системи GPS у збройних силах потроху забуваються. Затухання і блокування супутникових сигналів стає все більш поширеним явищем, і як результат, точне озброєння, засноване лише на космічних даних, перестало бути таким же ефективним, як раніше. Проблема стосується не тільки самої зброї, а й літаків, кораблів, наземних транспортних засобів та будь-яких інших пристроїв, які оснащені GPS-приймачем.

Ми не раз бачили приклади блокування сигналу GPS у “гарячих” точках Землі. Бувало, що величезні кораблі, що знаходяться в порту, або пливуть, наприклад, у Чорному морі, раптово зникали з карт і з’являлися на них за 30 кілометрів, і це пов’язано з діями росіян у цьому регіоні. Продовжуючи цю тему, слід сказати, що подібні заходи часто проводяться у Сирії для забезпечення діяльності російських баз у регіоні. Навіть Ізраїль потерпає від подібного втручання, де GPS іноді працює гірше, і це є серйозною проблемою, наприклад для цивільного повітряного руху.

Втручання у сигнал GPS не є особливо складною справою. Радіопередавач відповідної потужності та частоти, розміщений поблизу захищеної цілі, заважає приймачам GPS отримувати правильні дані. Виробники супутників намагаються боротися з цим, розробляючи все більш стійкі до перешкод сигнали, якими оснащуються останні версії обладнання. Однак це гра в кішки-мишки, і перевага на боці руйнівників. Вони можуть швидше реагувати на зміни завдяки меншим витратам та більшим можливостям. Адже супутники не змінюються за тиждень.

На додачу до підступних цілей, методи блокування GPS також використовуються і для захисту глав держав. Не дивно, що саме росіяни особливо люблять такі засоби. Особливо це стосується переміщень Путіна, які настільки намагаються приховати, що в регіоні, в якому він перебуває, на певний час можуть зовсім не працювати всі системи навігації. Росіяни максимально захищають маршрут переміщення свого президента, тому блокуванням систем навігації вони намагаються, принаймні частково, виключити атаку безпілотників.

Незважаючи на вищезазначені проблеми та недоліки, не слід очікувати відходу військових від системи GPS. Навпаки, підсилюватиметься боротьба з системами глушення, а додаткові системи будуть додані до обладнання та засобів озброєння, які будуть перешкоджати блокуванню сигналу GPS.

Інерційна навігація буде вдосконалюватися дедалі більше, а прецизійна зброя завжди матиме інший, однаково ефективний метод прицілювання в резерві. В даний час проводиться інтенсивна робота над такими рішеннями. Є розмови про навігацію зображеннями, астронавігацію (повернення в минуле?) і навігацію за допомогою магнітних аномалій. Високі технології! Тому на нас ще чекає багато цікавого.

Супутникова навігація для цивільних цілей

Але для пересічного користувача не дуже цікаво, що там у військових. Ми хочемо, щоб GPS допомагала нам правильно визначати наше місце, щоб навігатор правильно прокладав маршрут походів у горах або ранкової пробіжки чи під час подорожі автомобілем. Зараз вже важко собі уявити життя сучасної людини без цих зручностей.

В принципі, можна сказати, що навіть якщо ми не використовуємо GPS безпосередньо, тобто не вмикаємо приймач самі, то все одно можемо ним користуватися. Система самостійно працює, вона стала звичною, зручною і необхідною частиною нашого життя.

Читайте також:

• Чим на Марсі займатимуться Perseverance та Ingenuity?
• Що може завадити нам колонізувати Марс?