GPS – История, применение, преимущества и недостатки спутниковой системы

Понятие GPS (полное название – Global Positioning System) определяют по-разному, но смысл эти определения имеют один и тот же. GPS-ом называют спутниковую систему навигации (навигационные спутники), которая способствует обеспечению измерений расстояния и времени. Это система мониторинга, позволяющая практически при любой погоде  в любом месте  (даже в космическом пространстве поблизости планеты) определить скорость движения объектов и местоположение. Данную систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сегодня она применяется повсеместно.

Основным принципом применения системы является определение местоположения за счет измерения расстояния от спутников с уже известными координатами до определенного объекта. Расстояние обычно вычисляют по тому времени, на которое задерживается распространение сигнала от его посылки спутником вплоть до приема антенной приемника GPS. Из этого следует вывод: для того, чтобы GPS-приемник определил значение трехмерных координат, ему необходимо знать время системы, а также расстояние до этих трех спутников. Поэтому, чтобы определить высоту и координаты приемника, используют сигналы, подаваемые с четырех спутников.

Историческая сводка

В 50-е годы прошлого века возникла идея создания спутниковой системы. Это были как раз те времена, когда в СССР был запущен в космос первый искусственный спутник. В это время в США американские ученые под кураторством Ричарда Кершнера наблюдали за сигналом данного спутника и обнаружили интересное явление: при приближении спутника к Земле увеличивается частота принимаемого сигнала, а при отдалении наоборот – уменьшается, что происходит благодаря эффекту Доплера. Смысл открытия состоит в том, что, зная свои координаты на планете, можно легко определить скорость и положение спутника и наоборот – если знать положение спутника, то можно вычислить свои координаты и скорость движения. После этого и возникла задача по созданию прототипа навигатора.

Данная идея была реализована лишь спустя 20 лет. Программа DNSS была разработана в 1973 году, немного позже она была переименована в Navstar-GPS, а после получила привычное для нас название GPS. В середине лета 1974 года был выведен на орбиту самый первый тестовый спутник. Последний, 24-й спутник, который закрывал покрытие земной поверхности, запустили на орбиту в 1993 году. Именно тогда GPS-система и была глобально взята на вооружение. В это время появляется возможность использования GPS для того, чтобы запускать ракеты непосредственно на неподвижные объекты, позже начали наводить ракеты и на подвижные объекты не только на земле, но и в воздухе.

Вначале глобальная система позиционирования GPS разрабатывалась для применения в чисто военных целях. Но после инцидента, когда в 1983 году самолет Корейских Авиалиний, на борту которого находились пассажиры, при вторжении в советское воздушное пространство был сбит, тогдашний президент Америки Рональд Рейган позволил частично применять системы навигации также и в гражданских целях. Но при этом американские ученые уменьшили при помощи специального алгоритма точность, чтобы не допустить использования данной системы в военных целях.

После этого появилась информация о том, что некоторыми компания был все-таки расшифрован алгоритм, который уменьшал точность на частоте L1. Поэтому в 2000 году указом президента США было отменено уменьшение точности навигационной системы.

Основа системы, ее ядро, – это спутники, которые движутся по шести круговым траекториям орбиты Земли, высота которых достигает 20180 км. Спутники позволяют улавливать сигналы в таких диапазонах: L2=1227,60 МГц, а также L1=1575,42 МГц, модель IIF может излучать на L5=1176,45 МГц. Навигационные данные принимаются антенной, что происходит в условиях видимости спутников, и обрабатываются посредством приемника GPS.

Без учета ограничений на использование распространяется сигнал, имеющий стандартный код точности (модуляция BPSK(1) – C/A код), который передается в диапазоне L1, а с аппаратов IIR-M – в диапазоне L2. На L1 вначале использовалось загрубение сигнала искусственным путем, но было отключено в мае 2000 года. Тем не менее, методы искусственного загрубения остались окончательно в прошлом в 2007 году. Вскоре планируется запуск аппаратов Блок III с новым сигналом L1C, действующим в диапазоне L1. Этот сигнал будет иметь несколько улучшенную возможность прослеживать путь, обратную совместимость, а также будет совместим в большей степени с сигналами Galileo L1.

Военные пользователи получают дополнительный доступ к сигналам, действующим в диапазонах L1/L2, которые модулируются посредством криптоустойчивого кода P(Y) (модуляция BPSK(10)). С введением в использование устройств IIR-M применяется и новый М-код, в котором применима модуляция ВОС (15,10). Использование данного кода способствует обеспечению функциональной системы, действующей в рамках концепции навигационной войны (Navwar). Передача М-кода осуществляется на частотах L1 и L2. Этот сигнал отличается повышенной устойчивостью к различным помехам, поэтому его хватает для измерения точных координат. M-код имеет еще одну особенность, заключающуюся в возможности передачи для определенной области, диаметр которой достигает несколько сотен километров, при этом мощность сигнала равна свыше 20 дБ. В спутниках IIR-M сигнал M уже доступен, однако при необходимости узконаправленного сигнала необходимо обращаться к помощи спутников GPS-III.

После того, как был запущен блок IIF, была введена частота L5 (1176.45 МГц). Данный сигнал получил название Safety Of Life (переводится как «охрана жизни человека»). L5 на 3 дБ мощнее, нежели гражданский сигнал, а его полоса пропускания шире в 10 раз. Этот сигнал предназначен для применения в критических ситуациях, которые связаны непосредственно с угрозой для жизни людей. Полноценное его использование будет доступно после 2014 года.

Благодаря нахождению на орбите 24-х спутников обеспечивается стопроцентная работоспособность всей системы, причем независимо от положения точки на земном шаре. Однако и они не всегда способны обеспечивать приемлемый расчет позиций и уверенный прием. В связи с этим на случаи сбоев и для того, чтобы увеличить точность позиционирования, на орбите поддерживается несколько большее число спутников.

Наземные станции контроля

Главная контрольная станция находится на авиабазе ВВС Соединенных Штатов. С нее, а также еще с 10 станций осуществляется слежение за группой спутников на орбите. На трех станциях есть возможность посылать радиосигналы частотой 2000-4000 МГц, в которых содержится корректировочная информация. Самые передовые спутники способны распределять среди остальных спутников полученные данные.

Использование GPS

Как уже говорилось, GPS был разработан сугубо для военных целей, но сегодня GPS распространен во всем мире и применяется в гражданских целях. GPS-приемники можно найти в продаже практически во всех магазинах, которые специализируются на продаже электроники. Они встраиваются в смартфоны, онбордеры, мобильные телефоны, КПК. Потребители без проблем могут приобретать программы и устройства, которые позволяют на электронной карте видеть свое местоположение и способствуют прокладыванию маршрутов, учитывая дорожные знаки, пробки и разрешенные повороты. Кроме того, при помощи такого приемника можно найти конкретные улицы и дома, кафе, различные достопримечательности, а также автозаправки и больницы.

Помимо этого, GPS применяется для следующих целей:

  • Спутниковый мониторинг транспортных средств: при помощи GPS можно отслеживать скорость автомобилей, контролировать их движение.
  • Геодезия: GPS позволяет определить точные границы земельных участков и координаты.
  • Картография: GPS применяется в военной и гражданской картографии.
  • Мобильная связь: в 90-х годах появились первые телефоны со встроенным GPS. Некоторые страны применяют эту услугу для определения местонахождения человека, который позвонил 911.
  • Навигация: морская и дорожная.
  • Тектоника плит: GPS позволяет вести наблюдение колебания и движения тектонических плит.
  • Геотегинг: за счет внешних и встроенных GPS-приемников информация привязывается к координатам.
  • Активный отдых: GPS применяется в различных приложениях.

Точность GPS-приемников

Нормальная точность GPS-приемников равна примерно 6-8 метрам при наличии параметров хорошей видимости спутников и применении коррекционных алгоритмов. Станции WAAS, расположенные на территории Канады и США, передают поправки для режима, что способствует снижению погрешности на территории данных стран на 1-2 метра. Точность координат достигает 10 см, если использовать дифференциальные режимы более сложного уровня.

Недостатки системы GPS

Самым явным недостатком использования любой такой системы является то, что до приемника при определенных условиях сигнал может и не доходить либо приходить, но со значительными задержками или искажениями. Так, в глубине квартиры, находящейся в железобетонном здании, тоннеле или подвале, определить точное местонахождение практически невозможно.

Большая облачность и плотная листва деревьев также могут ухудшать прием сигнала со спутников. Сигнал GPS могут также исказить помехи, возникающие в результате магнитных бурь, или помехи от наземных источников радиосигнала. В приполярных районах Земли точность ухудшает невысокое наклонение орбит, по которым движутся спутники. Также особенность GPS в том, что эта система находится в полной зависимости от условий предоставления сигнала министерством обороны Соединенных Штатов.

Сейчас удалось реализовать полное обновление GPS-системы, хотя в планах этот проект был достаточно давно. Старые спутники в процессе обновления планируется заменить на новые, разработанные компаниями Boeing и Lockheed Martin. Считается, что эти спутники предоставляют точное позиционирование с погрешностью лишь 0,5 метра. На реализацию данной программы потребуется некоторое время.

Министерство обороны США указывает на то, что полное завершение обновления данной системы возможно только спустя 10 лет. При этом количество спутников останется прежним – 30, из которых 6 резервных и 24 рабочих.

Хронология событий

Разрешение о производстве спутниковой системы навигации – 1973 год.

Испытание системы – 1974-1979 года.

Прием сигнала от станции – 1977 год.

Запуск первой группы спутников (11 штук) – 1978-1985.

Решение о запуске 18 спутников ввиду сокращения финансирования системы – 1979 год.

Возложение на спутники GPS-функции отслеживания ядерных взрывов. Спутники начинают оснащаться сенсорами обнаружения ядерных взрывов – 1980 год.

Последующее сокращение финансирования системы – 1980-1982.

После того, как самолет компании Korean Airline был сбит на территории Советского Союза, власти США решают предоставить сигнал гражданским службам – 1983 год.

Гибель космического челна Space Shuttle «Challenger» притормозила совершенствование программы, поскольку челнок должен был выйти на орбиту в составе второй группы спутников – 1986 год. После этого основным транспортом служила «Дельта» – ракета-носитель.

Принято решение о выпуске на орбиту 24 спутников, поскольку 18 спутников не способны обеспечить бесперебойную работу системы – 1988 год.

Спутники второй группы активированы – 1989 год.

Война в Персидском заливе, а также нехватка военных приемников поспособствовала временному отключению SA (selective availability – определение местоположение вплоть до 100 метров, создаваемая искусственным путем) – 1990-1991 года.

Передано сообщение о первичной готовности программы. Окончательно принято решение о предоставлении сигнала частным лицам и гражданским службам для бесплатного пользования – 1993 год.

Укомплектование спутниковой группировки – 1994 год.

Система приведена в полную готовность (Full Operational Capability) – середина 1995 года.

Для гражданских пользователей отключили SA, благодаря чему возросла точность определения со 100 до 20 метров – 2000 год.

Подписано совместное заявление по обеспечению совместимости и взаимодополняемости GPS 1 и Galileo – 2004 год.

Произошел запуск спутника GPS-IIR-14 с ракетой на борту Delta 7925, отправная точка – мыс Канаверал, США – 2005 год.

Начались российско-американские переговоры относительно сотрудничества по обеспечению взаимного дополнения навигационных космических систем GPS и ГЛОНАСС – 2006 год.