Когда всего неба мало. GPS и ГЛОНАСС

Источник материала:

С тех пор как человечество научилось совершать дальние морские путешествия, главной головоломкой моряков было узнать, где, собственно, они находятся. Солнца и звезд всегда не хватало: набежит туча, и тут уж ни за что не поймешь, где ты есть. В общем, и целого неба людям было мало. И, наконец, в 70-х годах прошлого века свершился поистине революционный переворот, как пишет ИТАР—ТАСС. 

Суть этого переворота — появление первой глобальной спутниковой навигационной системы GPS. В этом году ей уже исполнилось
14 лет. У России есть своя система — ГЛОНАСС, историю которой не назовешь простой и легкой. 

Декабрь 2005 года. Президент Путин неожиданно для многих от земных тем переключается на космические и дает поручение ускорить восстановление российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС. Цель — заставить ее заработать к 2008 году на всей территории России, а в 2009 году — обеспечить глобальное покрытие. Для этого в составе орбитальной группировки необходимо 24 спутника. 

Почему глава государства озаботился этой проблемой? Возможно, его подтолкнули на это кадры американской военной хроники, которые продемонстрировали высочайшую точность попадания американских крылатых ракет, ставших главным оружием Пентагона в войнах в Югославии и Ираке? Точность попадания американских средств поражения была обеспечена Системой глобального позиционирования — GPS. Или его вмешательство в ход реализации Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» на 2001—2011 годы было обусловлено докладом некоего должностного лица, проинформировавшего, что российская система ГЛОНАСС после провальных для космоса 90-х годов прошлого столетия фактически оказалась небоеготовой? Дать точные ответы на эти вопросы пока вряд ли представляется возможным. 

Но сначала — краткий экскурс в историю. СССР начал формирование системы ГЛОНАСС в 1982 году, и к началу 90-х она функционировала в полном объеме. Орбитальная группировка системы состояла из 24 спутников — по 8 аппаратов в трех орбитальных плоскостях. Первоначально система замышлялась как сугубо военная — с целью обеспечить прицеливание советских высокоточных средств поражения. 

Параллельно США уже разворачивали собственную систему GPS, военная эффективность которой была продемонстрирована в ходе недавних конфликтов. Однако американцы сделали так, что GPS решала сугубо военные задачи во многом за счет денег, полученных от коммерческого использования системы. Дело в том, что системы глобального позиционирования можно использовать и в мирных целях, отслеживая с их помощью перемещения различных подвижных объектов — от домашних животных и детей до автомашин и других транспортных средств. Главное — снабдить их удобными миниатюрными приемниками сигналов навигационной системы. Российская же система в 90-е годы медленно умирала, ее орбитальная группировка неуклонно съеживалась — скорость убывания числа спутников превышала скорость обновления орбитальной группировки. Поэтому поручение Путина касалось не только и не столько восстановления орбитальной группировки, сколько коммерческого использования ГЛОНАСС, для чего, в частности, необходимо было снять действовавшие ранее ограничения по точности навигационного обеспечения. 

Сложные вопросы, касающиеся выполнения поручения президента, рассматривали участники прошедшего в конце мая в подмосковном пансионате «Лесные дали» Совета генеральных конструкторов по системе ГЛОНАСС. Его наиболее заметными участниками были генеральный директор — генеральный конструктор РНИИ космического приборостроения (РНИИ КП), генеральный конструктор ГЛОНАСС Юрий Урличич, заместитель главы Федерального космического агентства (Роскосмос) Юрий Носенко, руководитель красноярского «НПО прикладной механики» (НПО ПМ) Николай Тестоедов. Поскольку участники совета затрагивали чувствительные вопросы, касающиеся безопасности России, заседание проходило в закрытом режиме. 

То, что затрагивало широкую публику, а именно — вопросы коммерческого использования ГЛОНАСС, «генеральные» рассказали журналистам на пресс-конференции. 

По данным Юрия Носенко, в настоящее время в ее составе насчитывается 17 космических аппаратов (КА), в том числе семь — типа «Глонасс-М» с семилетним сроком существования. Одновременно из состава группировки выводятся спутники «Ураган» с трехлетним сроком эксплуатации. Реально они проработали на орбите 4—4,5 года. На момент проведения совета в составе орбитальной группировки насчитывалось десять действующих аппаратов, пять — временно выведены на техобслуживание, один находился на этапе ввода в эксплуатацию, один выводился из системы. 

О планах. Глава НПО ПМ Николай Тестоедов сообщил, что в 2008 году в России будут запущены шесть КА «Глонасс-М». В 2009 году — еще шесть «Глонасс-М» и два «Глонасс-К» нового поколения. «С 2010-го мы будем запускать только «Глонасс-К» с десятилетним сроком существования», — сказал Тестоедов. 

О точности. Точность определения координат, достигнутая американской GPS, составляет сейчас порядка одного метра. Как считает Носенко, «мы достигнем такой точности к 2011 году». По его данным, сейчас точность определения координат системой ГЛОНАСС составляет несколько десятков метров. «Когда в системе будут работать 18 КА, точность приблизится к десяти метрам», — отметил Носенко. В свою очередь Урличич отметил, что в случае сопряжения функциональных дополнений (под этим скучным термином понимаются наземные пункты управления) российской ГЛОНАСС и американской GPS будет получена сантиметровая точность. 

Там же, на заседании, было объявлено, что доступные для массового пользователя, как российского, так и зарубежного, приемники ГЛОНАСС поступят в широкую продажу до конца текущего года. Российским производителям есть за что бороться. Урличич привел оценки экспертов, согласно которым если в 2005 году объем рынка услуг систем глобального позиционирования составил 30 миллиардов евро, то к 2011 году он может увеличиться (в том числе за счет российской ГЛОНАСС и европейской «Галилео») до 124 миллиардов евро. 

И вывод. Его сделал все тот же Носенко. «К концу 2007 года у нас будут летать 18 спутников, и большинство из них будет в рабочем состоянии». Это позволяет надеяться, что россияне уже скоро смогут решить массу проблем, например, поиска угнанных автомобилей и заблудившихся детей. 

Вопрос о том, где я и как мне отсюда попасть куда надо, всегда мучил путешественников, за исключением разве что бравого солдата Швейка, который считал, что «человек с головой, где бы он ни находился, без всякой карты обязательно попадет в Будейовицы, особенно учитывая, как сильно он спешит в свой полк и боится опоздать». 

Американская Cистема глобального позиционирования, или GPS, этот вопрос решила окончательно (речь теперь может идти лишь о ее техническом усовершенствовании, если, конечно, человечество не придумает что-либо лучше). Кстати, в июне нынешнего года GPS исполнилось ровно 14 лет со вступления, так сказать, в зрелый возраст. Зачата она была еще в недрах Пентагона в 1973 году, первый из системы спутников «Navstar» ВВС США запустили в 1978 году, а 26 июня 1993 года на орбиту был запущен последний из 24 спутников «Navstar», и GPS стала полностью полномасштабно функциональной. 

На разработку GPS Пентагон истратил 12 миллиардов долларов. Будучи военной системой, GPS по первоначальному замыслу должна была решать только военные задачи: передавать координаты подводным лодкам и кораблям ВМФ США, истребителям, бомбардировщикам, танкам, бронемашинам, помогать наводить ракеты, бомбы. В общем, подсказывать Пентагону, что и где находится, куда это должно ударить и за какое время до места назначения долететь. Американцы, правда, довольно быстро поняли, что у системы могут быть большие перспективы и в области гражданского применения, что на этом можно весьма неплохо заработать, и уже в 1984 году президент Рейган объявил о частичном открытии системы GPS для гражданских нужд. 

Американцы тогда объявили, что это делается совершенно бесплатно и потребителям не придется платить ни за уже летающие, ни за готовящиеся к запуску спутники. Такой вот подарок мирным путешественникам. То, что платить придется за приемные устройства, которые вначале стоили по несколько тысяч долларов, сочли для упоминания необязательным. На самом деле на открытии системы для гражданского применения настояли американские компании, производящие приемные устройства и компоненты для этого «глобального позиционера». Они быстро поняли, какие колоссальные деньги может принести продажа услуг и компонентов на гражданском рынке, и надавили на Белый дом. Теперь приемник GPS можно получить всего за пару-тройку сотен долларов. Часть скрытой стоимости отходит правительству США. Специалисты говорят, что вскоре, лет этак через 5—8, размеры принимающих устройств «сожмут» с нынешних размеров автомобильных приемников до габаритов кредитных карточек, которые станут настолько дешевыми, что обзавестись ими не захочет разве что ленивый. 

И ведь нельзя сказать, что до системы GPS в мире не было другой навигационной системы. Были, конечно. До GPS в США существовала спутниковая навигационная система «Транзит». Принципы определения координат были примерно одинаковы, но отсутствовало сверхточное оборудование и компьютерное обеспечение. На точный перерасчет сигналов и определение местоположения у военных США с этой системой уходило по 15—20 минут. Уже при тогдашних скоростях самолетов и даже надводных судов, не говоря уж о ракетах, вполне могло получиться, что за эти самые 15—20 минут военный объект США мог повторить то, о чем поется в нашей замечательной песне: «он шел на Одессу, а вышел к Херсону», ну или что-то очень похожее. Вплоть до 1997 года существовала и глобальная международная навигационная система ОМЕГА, но она использовала лишь наземные приемно-передающие станции, и от нее пришлось отказаться. 

Как бы там ни было, внедрение системы GPS в гражданские области было событием историческим, поскольку коренным, хотя, надо признать, и малозаметным для простого смертного образом изменило наш мир. Без GPS теперь не обходится практически ни одна гражданская область деятельности. Ей пользуются для навигации пассажирские лайнеры, суперконтейнеровозы и супертанкеры. Транспортные железнодорожные и автомобильные компании определяют с помощью системы, где находятся перевозимые грузы, составы и грузовики и как быстрее доставить их клиентам. GPS установлены на машинах «скорой помощи» и помогают им найти оптимальную дорогу к больному или месту катастрофы. Без GPS уже не мыслят работы системы охраны глав государств, без нее не обходятся спасательные армейские или гражданские команды. 

В США в сельском хозяйстве с помощью GPS и специальных компьютерных программ определяют с точностью до метра, какой именно участок одного и того же поля должен получить больше удобрений, какой лучше вспахан или проборонован. Американцы говорят, что вскоре с помощью GPS можно будет обрабатывать поля комбайнами, сеять и жать вовсе без всякого человеческого участия. Без GPS уже немыслимы геофизические исследования, вулканология, регистрация сдвигов земной поверхности, отслеживание, определение очагов и тушение пожаров, не говоря о составлении карт, землеустройстве, разметке участков полей, лесов и прочего. В США уже сегодня GPS используется для прокладки новых крупных шоссейных магистралей и железнодорожных путей. В одной только Японии навигационными системами GPS уже оснащено около миллиона частных автомобилей. 

На сегодняшний день GPS помогает спасать людей, лечить и кормить, строить, рушить, копать, тушить пожары, бороться с засухой... В индустрии, так или иначе связанной с производством систем GPS, их функционированием, разработкой, обслуживанием, занято более 100 тысяч человек. 

В общем, Система глобального позиционирования вполне стоит того, чтобы о ней рассказать поподробнее. 

Один виток вокруг Земли каждый из 24 спутников GPS совершает за 12 часов. Вся система находится в ведении Консолидированного центра космических операций ВВС в штате Колорадо. Дважды в день операторы военных систем слежения GPS сверяют их месторасположение на орбите и, самое главное, снимают показания и в случае надобности корректируют установленные на спутниках GPS атомные часы. Вся планета покрыта равномерной спутниковой сеткой, и в любой момент времени приемник сигнала GPS может получать его минимум с четырех спутников. Встроенный компьютер производит вычисления и выдает координаты, погрешность которых сейчас удалось довести всего до метра. 

Вообще, GPS, будучи навигационной системой, использует все уже давно известные навигационные принципы, в том числе и перекрестного координирования. И с этой точки зрения процесс «ориентирования на местности» мало чем отличается от того, как если бы вы вышли, скажем, в поле с компасом в руке, определили стороны света, направление на ближайшую колокольню, направление на опушку леса, свели все это воедино и более или менее точно определили бы свое место на карте. 

Но это только в принципе. Сказать это — значит очень сильно обидеть даже не сотни, а тысячи ученых, конструкторов и разработчиков. В общем и целом само создание системы GPS — прекрасный образец того, как функционирует наука вообще и как фундаментальные исследования порой приводят к созданию технологий, о которых не могли и помыслить начинавшие эти фундаментальные исследования ученые. 

Начнем с того, как, собственно, все это работает. 

Каждый из 24 спутников GPS корпорации «Рокуэлл Интернэшнл» размером приближается к легковому автомобилю и выведен на орбиту в 23 тысячах километров от земной поверхности. Приемник, или ресивер, GPS постоянно получает сигналы со спутников, причем каждый из 24 говорит только своим «уникальным частотным голосом» и с другим его перепутать просто невозможно. Приемник снабжен специальным компьютером для обработки информации. Кстати сказать, цена каждого приемника GPS зависит исключительно от числа каналов приема, которыми он снабжен. Поскольку каждый канал настроен на один индивидуальный спутник, то чем больше каналов, тем больше спутников может «слышать» принимающее устройство и тем, естественно, больше позиционирующих сигналов оно получает, следовательно, обладает большей точностью определения координат. 

Любой приемник мгновенно определяет, с какого именно из 24 спутников он получает сигнал, где в минуту передачи сигнала находился спутник, и (что, пожалуй, самое главное) определяет, когда именно сигнал был передан со спутника и куда спутник переместился уже к моменту приема сигнала — точность неимоверная. На каждом из 24 спутников установлены сверхточные атомные часы, которые постоянно контролируют сами себя и выдают время с погрешностью в миллиардные доли секунды! Эти самые часы, вернее их принцип, были разработаны еще в 30-е годы в Колумбийском университете США для проверки теории относительности Эйнштейна и ни для какой навигации не предназначались. С помощью таких часов ученые пытались проверить утверждение Эйнштейна о том, что гравитация искажает и пространство, и время. В соответствии с этой теорией часы на вершине Эвереста должны идти на 30 миллионных долей секунды быстрее, чем на поверхности планеты. Чудо-часы были основаны на принципе частотной резонантности атомов. В данном случае речь шла об атомах цезия, которые колеблются с постоянной частотой в 9 192 631 770 циклов в секунду. Они и выполняют в часах роль маятника. В общем, без таких часов никакой GPS не получилось бы. Ведь если учесть, что радиоволны распространяются со скоростью света, то измерить время, которое им требуется пройти от спутника до приемника GPS, кроме как атомными часами, никак невозможно. 

Измеряя время, которое уходит на то, чтобы сигнал добрался до Земли, компьютер вычисляет расстояние до спутника. Принимая же сигналы с трех спутников сразу, его «супермозги» вполне в состоянии за миллисекунды провести необходимые тригонометрические вычисления и определить, где в данный момент находится приемная коробка, или, иными словами, точно указать свою позицию на земной поверхности. Сигналы с третьего спутника, кстати, позволяют определить в дополнение к широте и долготе еще и высоту положения приемника, что незаменимо для ориентации авиалайнеров. Прием сигнала с четвертого спутника позволяет еще точнее определить координаты и так далее. 

На сегодня новейшая модификация системы глобального позиционирования уже называется DGPS, или Дифференциальная система глобального позиционирования. Все дело в том, что сама GPS, собственно, не была такой уж точной, как необходимо в нынешние времена, да к тому же в нее была намеренно вмонтирована ошибка. 

Неполная точность, в результате которой координаты иногда могли искажаться или местоположение объекта невозможно определить, была вызвана вполне естественными причинами. Радиосигналы со спутников передают на сверхстабильной, так называемой L-частоте. Но даже ее могут искажать частицы в ионосфере, пары воды, пыли — незначительно, но могут. Кроме того, часть переданных со спутника сигналов может «отскакивать» от горных склонов, домов, мостов, снова пробиваться на приемник и создавать эффект на манер телевизионной «размытой картинки» или «снега», и тогда понять, где вы находитесь, будет затруднительно. 

Но самую главную проблему точности создал для собственной системы Пентагон. В военном ведомстве весьма опасались, что «на гражданке» до GPS могут быстро добраться «вражеские агенты», то есть русские, и использовать GPS для наведения на Америку собственных систем вооружений. Боялись также, что аппараты попадут в руки контрабандистов или террористов. Посему гражданскую GPS снабдили так называемой системой избирательной доступности, или SA. Она создавала специальные шумы при приеме сигналов через «не свои приемники» и искажала координаты до вполне приемлемых для Пентагона пределов. Само же военное ведомство США и его союзники по НАТО использовали для полной точности секретные ресиверы, оборудованные кодовыми системами фильтрации шумов. Сейчас SA уже отменена за отсутствием необходимости: в конце концов, у России теперь есть собственная ГЛОНАСС, и она вполне обходится и без американской GPS. 

Дифференциальная GPS стоит несколько дороже базовой. Для увеличения точности координирования она использует наземные ретрансляторы дополнительного приема сигналов со спутников системы (например, 5—6 вместо трех или четырех), которые, поступая на устройства GPS, корректируют уже полученные сигналы и выдают ваши координаты. Кроме того, сегодня сигналы GPS ретранслируют и коммуникационные спутники. При такой процедуре определить местоположение объекта можно с точностью до нескольких сантиметров. Обычные же GPS могут грешить метров на 20—50, а то и больше в зависимости от атмосферных условий. При идеальных условиях погрешность может составлять всего метр или два, учитывая, конечно, качество приемника GPS. Но тут все дело в том, что пользователь никак не может знать, при каких условиях его приемник получил сигналы. Над головой у него, может, и безоблачное небо, но сами спутники «развешены» над районами планеты, удаленными друг от друга на многие тысячи километров. И никто не может гарантировать, что если в вашем районе стоит чудо-погода, за тысячи километров не идет дождь, не гремит гроза или не бушует песчаная буря. 

В принципе, 20—50-метровая погрешность в системе GPS — не такая уж и большая беда при определенных обстоятельствах и в определенных условиях. На нее вряд ли будут обращать внимание, скажем, капитаны крупнотоннажных танкеров, которые пытаются определить, на каком расстоянии от Роттердама они находятся — 350 или 400 морских миль. В равной мере это почти безразлично транспортным компаниям — ну какая разница, на 20 или 50 метров ближе или дальше железнодорожный состав или большегрузная фура к Лондону, Стамбулу или Детройту. Но когда эти самые танкеры или контейнеровозы приходят, скажем, в Панамский канал, ситуация коренным образом меняется. Ныне здесь все лоцманы имеют при себе системы DGPS и без них не делают проводки судов по этому важнейшему транспортному пути Западного полушария. Ведь сейчас морские «грузовики» разбухли до невероятных размеров. Порой «зазор» между их бортами и шлюзами канала составляет менее двух метров! Точно определить позицию судна перед входом в шлюзовую камеру становится жизненно важно, иначе не миновать катастрофы, которая может на несколько дней «закупорить» канал. Погрешности в десятки метров недопустимы и для обработки полей и внесения удобрений, строительства дорог, прокладки тоннелей, подземных и наземных нефте- и газопроводов. В общем, точность — вещь совершенно необходимая для GPS. И она постоянно возрастает.