«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 01 (1)

НАУЧНОЕ ОБОЗРЕНИЕ

• АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА И КОСМОНАВТИКА

GPS: Если уж позиционироваться, то только глобально

Глобальную Систему Позиционирования (GPS) называют “созвездием, созданным человеком”. разработанная в недрах DoD’a (Department of Defense), она выполняет функции главного навигатора в авиации и координатора в геодезии и инженерии.

В общей сложности для этого понадобилось 12 миллиардов долларов США и несколько десятилетий.

GPS представляет собой систему из трёх составляющих. Космическая — это 24 спутника, которые вращаются на околоземной орбите на высоте 20 тысяч км со скоростью 11 тысяч км в час. Высота орбиты каждого спутника 22 200 км, а период обращения — приблизительно 12 часов. Все они ежесуточно повторяют свою траекторию с “опозданием” в 4 минуты.

Схема расположения 24 спутников показана на рисунке. Каждый рассчитан на 10 лет службы, с последующей его заменой точно таким же. Спутники вращаются в шести плоскостях, в каждой из которых — соответственно — по четыре. Таким образом, в идеале (без “ландшафтных” помех) каждая точка Земли и того, что на ней находится, оказывается в зоне обозрения трёх — шести спутников.

Наземная составляющая — это контролирующие измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Кроме того, в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджалейн). Всем этим заправляют на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base (formerly Falcon AFB) in Colorado). И самый главный персонаж GPS — ресивер, или объект, который находится в центре внимания и который, собственно, позиционируют.

До гениальности простая идея, лежащая в основе всей системы, заключается в том, что со спутников на объект излучаются радиосигналы, которые в соединении с сигналами других спутников, образуют трёхмерную систему отсчета, в которой любой объект — статичный или движущийся — обретает точные координаты.

Кроме того, учитывается время, пройденное импульсом с расчётом погрешностей, образующихся в ионосфере, и вычисляется скорость перемещения объекта. “Работа в связке” и стабильность системы таковы, что координаты практически не нуждаются в корректировке. Существует масса преувеличений относительно того, что можно увидеть из космоса. Спутники GPS только кажутся спутниками-шпионами. Конечно, не исключено, что они и это “умеют”, но максимальное геометрическое разрешение — до 3–5 метров. Спутники просто не для этого предназначены. Они не “приглядываются”, а замеряют. А вот разницу между координатами одного объекта за минимальную единицу времени они “почувствуют” лучше любых “шпионов” — GPS безошибочно зафиксирует миллиметр, сделанный объектом влево или вправо.

Один из первых GPS-приемников — MANPACK GPS Receiver. С 1988 по 1993 год было произведено 1400 таких моделей для солдат

Идея настолько проста, что её реализацию “тормозила” только неразвитость космонавтики. Естественно, история GPS начинается в 60-х, когда ВМФ и ВВС США устремили свои интересы в космос. К тому времени вовсю шла разработка новых навигационных систем и приборов, но все они были, как бы сказали сегодня, “несовместимы” — не существовало единой системы позиционирования.

Конечно, дела шли повеселее, чем у первых полярников, которые не могли точно сказать, дошли они до полюса или нет.

В 1973 году была предпринята попытка создать единую систему. Основой новой системы должны были стать так называемые “атомные часы”, разработанные в рамках военно-морской программы TIMATION и являющиеся эталоном времени. ВВС, в свою очередь, взяли на себя создание Navstar Global Positioning System.

Первый спутник был запущен в 1978 году, а с 1989 года выполняется запуск спутников нового поколения. Первые одиннадцать спутников двигались совсем по иным орбитам, по сравнению с современными, и были предназначены для того, чтобы опробировать систему и показать реальность решения задачи.

Надо заметить, что проект реализовывался достаточно быстро и легко, и единственной неудачей стал спутник, запущенный в 1981 году.

В середине 90-х DoD, наконец, смог официально заявить о том, что система дееспособна. Оставалось решить, кто её будет использовать и на каких условиях. С одной стороны, GPS — информационное оружие, особенно, когда конкурентов нет. С другой, $12 миллиардов и практически безграничный список сфер использования — правительство просто не позволило бы DoD’y сидеть “собакой на сене”.

За мостом Тсунг Ма присматривают из космоса

Во-первых, решили разделить “сервисы” для гражданских на две группы: стандартный сервис (Standard Positioning Service) и сервис повышенной точности (Precise Positioning Service).