Заправлены в планшеты космические карты…

Иногда прогулки по интернету навевают странные мысли. Обилие всевозможной информации заставляет мозг работать гораздо изощреннее. Версии, события и факты спутываются в один узел, разрубив который можно получить интересные выводы. Так, совсем недавно копаясь в интернете я пришел к выводу — если бы великий Колумб отправился в путешествие сейчас, на карте мира не появилось бы Америки… Ведь тогда он даже точно не знал, куда плыть… Сейчас же, нажав 2-3 кнопки на приемнике GPS или ГЛОНАСС, можно не только определить свои координаты, но и увидеть эту точку на карте, с погрешностью около полуметра.
Об этих удивительных система глобального позиционирования (определения координат) я и хочу сейчас рассказать.

С чего все начиналось
Человек всегда хотел знать, где он находится в пространстве. Особенно актуальной эта проблема стала с началом длительных морских экспедиций. Тогда же были разработаны первые навигационные приборы: секстан и астролябия, — позволявшие устанавливать свои координаты по небесным светилам. Однако все эти приборы сильно зависели от погоды и не могли полностью устраивать пользователей.

Ситуация резко изменилась с появлением радио как такового и радиолокатора в частности. С его помощью можно было довольно точно устанавливать координаты как цели, так и свои собственные. В 50-е годы в СССР знаменитым ученым Котельниковым проведены первые эксперименты по определению координат искусственного спутника земли (ИСЗ) и было установлено, что решаема и обратная задача — определение наземных координат наблюдателя по координатам спутника. Параллельно такие же исследования проводились и в США. И в 60-е годы прошлого столетия были разработаны основные элементы систем глобального позиционирования.
В США первой стала система “Транзит”, предназначенная для определения координат подводных лодок и баллистических ракет. “Транзит”, постоянно развиваясь и трансформируясь, к концу 70-х превратился в систему GPS (Global Position System — глобальная система позиционирования) / NAVSTAR (NAVigational Satellite providing Time and Range — навигационная система определения времени и дальности). Сейчас она является наиболее известной и широко используемой во всем мире спутниковой навигационной системой.
СССР в качестве ответного шага разработал систему “Цикада”, однако единой системы позиционирования в нашей стране долгое время не было. Эту задачу решали отдельные ИСЗ класса “Космос”, но, к сожалению, эта программа финансировалась недостаточно, и к началу 90-х на орбиту было выведено всего несколько спутников “Космос-1413”. В результате сеть не могла работать в полную силу, и точность ее оставляла желать лучшего. Лишь в 1993 году, по инициативе Министерства обороны РФ, было принято решение о создании системы ГЛОНАСС и развертывании системы из орбитальных спутников. Очень жаль, но надо признать, что в настоящее время нет возможности эксплуатировать нашу систему в соответствии с техническими требованиями. А причина проста — у страны нет на это ресурсов, и в обозримом будущем не предвидится.
Стоимость эксплуатации столь сложных спутниковых систем будет во многом определяться продолжительностью работы самих спутников и частотой их замены. В этом отношении ГЛОНАСС явно уступает GPS. Судя по открытым данным, самый старый из работавших в мае этого года спутников GPS был запущен в 1989 году (возраст — 14 лет), в то время как старейший спутник ГЛОНАСС — в 1998 году (5 лет). По спутникам только первого поколения GPS, выводившимся на орбиты в конце 70-х — начале 80-х гг, средняя продолжительность функционирования составила 7.12 лет.

Принципы работы систем GPS и ГЛОНАСС
Должен сразу заметить, что описываемые теоретические принципы работы системы спутникового позиционирования одинаковы как для ГЛОНАСС, так и для GPS. Если кратко, то принцип их действия заключается в следующем.
Метод определения координат, реализованный в обеих системах, основан на измерении разностей так называемых «псевдодальностей» от потребителя до нескольких спутников, находящихся в поле «зрения» пользователя. Их значения вычисляются по времени относительной задержки в точке приема специальных радиосигналов, излучаемых этими спутниками. При одновременном измерении «псевдодальностей» до четырех спутников обеспечивается решение пространственной геодезической задачи и определение трех координат объекта — широты, долготы и высоты над уровнем моря. Для определения параметров скорости подвижного объекта дополнительно выполняются измерения в доплеровском режиме. Пользователь, измеряя частоту пришедшего к нему сигнала, сравнивает ее с эталонной и таким образом вычисляет доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника. Измерения производятся непрерывно, что позволяет составить функцию изменения частоты Доплера, по которой и вычисляется скорость объекта.

GPS
В состав спутниковой системы NAVSTAR входят 24 ИСЗ, находящихся на 6 различных круговых орбитах, расположенных под углом 60° друг к другу. Период обращения одного спутника — 12 часов. Такое размещение спутников дает возможность одновременного наблюдения в любой точке поверхности Земли от 4 до 12 ИСЗ системы. Масса каждого спутника — около 787 кг, размер — более 5 м, включая солнечные батареи. На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10-9 с, вычислительно-кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт.
Координаты каждого ИСЗ на любой момент времени заранее с высокой точностью вычисляются и контролируются в наземном центре управления системой и передаются потребителям в цифровой форме (так называемый «альманах системы») вместе со специальными измерительными сигналами, излучаемыми на двух частотах: 1227.6 МГц и 1575.42 МГц.
Специфика основных целей использования системы GPS — для оперативного высокоточного определения многочисленными подвижными военными потребителями своего местоположения на суше, на море, в воздухе и в ближнем космосе — привела к наличию в системе двух каналов измерений: стандартной (Standart Position System — SPS) и высокой (Precise Position System — PPS) точности.
Типовая погрешность определения координат в канале SPS (по так называемому «грубому» или «открытому» C/A-коду) изначально составляла около 100 м в любой точке Земной поверхности. Именно этот канал измерений и был в 1983 году разрешен для свободного (и бесплатного) использования любыми потребителями всех стран. В канале PPS (измерения по «защищенному» P-коду) обеспечивается точность определения координат приблизительно на порядок выше, чем в SPS, однако этот канал используется только по основному назначению системы и закрыт для доступа сторонних потребителей — проведение измерений без знания специального секретного кода попросту невозможно.

ГЛОНАСС
В российской «ГЛОбальной НАвигационной Спутниковой Системе» (ГЛОНАСС), по замыслам разработчиков, орбитальная группировка также должна была состоять из 24 спутников, но размещенных по 8 ИСЗ на трех круговых орбитах, высотой около 19100 км и наклонением к экватору 64.8°. Такие параметры были выбраны для того, чтобы на протяжении времени обеспечить одинаковый «уход» всех спутников со своих­ первоначальных орбит под воздействием неоднородностей поля тяготения Земли, что автоматически гарантирует стабильность взаимного положения всех ИСЗ системы. В система также имеются два канала: стандартной (СТ) и высокой (ВТ) точности, — обеспечивающие определение координат с примерно такими же погрешностями, как и в GPS. Сигнал СТ (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей, однако, в отличие от GPS, в ГЛОНАСС не используется режим преднамеренного введения дополнительных ошибок в сигнал стандартной точности. Сигналы высокой точности также предназначены только для нужд военных, и обычные потребители пользоваться ими не могут. Рабочие частоты системы — 1250 и 1600 МГц.

Пользовательские терминалы
Для получения данных с рассматриваемых систем у вас должно быть специальное устройство — GPS-навигатор (терминал), который принимает сигналы со спутников и вычисляет ваше местоположение (координаты). Кроме того, с помощью всех, даже самых простых, GPS-навигаторов можно запоминать ваши координаты в виде путевых точек, составлять из них маршруты, руководствуясь указателем пути определять направление на нужную точку, автоматически запоминать координаты по ходу движения (вести путевой журнал). Более сложные приборы имеют возможность загрузки и отображения электронной карты (как правило, в собственном формате).
Чем больше спутников умеет захватывать терминал, тем быстрее и точнее он будет определять координаты, так как сможет “выбирать” спутники с наилучшим взаиморасположением.

Терминалы можно разделить на две большие категории. Первая представляет собой автономный прибор — специализированный наладонный микрокомпьютер, как правило, с двенадцатиканальным приемником и полноценным набором всех элементов (процессор, память, дисплей, порт). В ПЗУ микрокомпьютера прошита программа, которая управляет радиоприемником и обрабатывает полученную информацию. Данные о местоположении обрабатываются программой, сохраняются в памяти и отображаются на дисплее прибора, представляющем собой жидкокристаллический экран с хорошим разрешением — ведь на нем показывается не только текстовая информация, но и карта, предварительно загруженная в память. В зависимости от объема памяти или наличия сменных внешних модулей карта может быть весьма детальной.
Навигаторы сохраняют в своей энергонезависимой памяти траекторию движения наблюдателя, могут запоминать особые точки, снабженные пользовательским комментарием. Модельный ряд навигаторов бытового уровня достаточно широк. Хорошо известны приборы фирм Garmin и Magellan, а выбор конкретной модели зависит от предполагаемого использования и цены (от $200).

Приборы второй категории реализованы в виде приставки-приемника к КПК и представляют собой модуль с интерфейсным разъемом. Как правило, используется слот CompactFlash или PCMCIA. КПК может быть практически любым: на базе Palm или PocketPC. Это решение является на сегодняшний день самым интересным и перспективным. Вся обработка поступающих данных производится компьютером. Можно использовать различные программы и форматы карт, и пользователь получает гораздо большую возможность выбора. Можно даже просто отсканировать любую карту, загрузить в КПК и, сделав привязку, пользоваться ею. Кроме того, система получается модульной, а значит, легко апгрейдится.
Наиболее популярные модели GPS-навигаторов выпускают фирмы TFAC, Pretec, GlobalSat Tech, HAiCOM. Цены на такие устройства начинаются от $130.
В качестве примера российской разработки можно назвать МЦОС-А12/А18 — 12- и 18-канальный навигационные приемники GPS/ГЛОНАСС. Они осуществляют автоматический поиск, прием и обработку сигналов спутников радионавигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS/NAVSTAR (США). Платы могут применяться в высокоточных навигационных системах, в том числе в системах с высокой динамикой объектов, в системах управления движением железнодорожного, автомобильного, воздушного, морского и речного транспорта.

Перспективы развития
Несмотря на довольно высокую точность определения координат с помощью современных спутниковых систем, процесс их развития далек от завершения. Прежде всего, это касается уже существующих систем GPS и ГЛОНАСС. При этом их совершенствование пойдет сразу по нескольким направлениям. Прежде всего, это улучшение параметров бортового оборудования новых поколений ИСЗ, повышающего надежность их работы.
Еще одним направлением станет совместное использование систем GPS и ГЛОНАСС. Учитывая важность получающегося эффекта, различные международные организации, занимающиеся проблемами безопасности на море и в воздухе, уже склоняются к тому, чтобы на основе GPS и ГЛОНАСС создать единую систему Global Navigation Satellite System — GNSS.
Есть и другие идеи по развитию систем спутниковой навигации. Так, например, в объединенной Европе уже разрабатывается проект создания собственной системы подобного типа — GALILEO. Также рассматриваются и вопросы реализации дополнительных навигационных режимов работы в таких связных спутниковых системах, как Inmarsat, Iridium, Globalstar. Но наибольший эффект может быть достигнут в системе Teledesic, предусматривающей создание сети из 960 низкоорбитных спутников. Правда, существование этого проекта находится под вопросом из-за разногласий фирм-партнеров.

В статье использованы материалы с сайтов chipnews.com.ua, www.irz.ru, ixbt.com, www.potrebitel.ru.


Рекомендуем почитать: