Любое живое существо, способное самостоятельно передвигаться на сколько-нибудь значительные расстояния, нуждается в осознании собственного местонахождения. Природа щедро одарила животных механизмами ориентации в пространстве (кстати, многие из этих механизмов до сих пор представляют загадку для ученых). Однако венец творения обнаружил самую большую «милость от природы» в данном вопросе: естественные спутники - небесные тела. К сожалению, имя той светлой головы, в которую впервые пришла мысль ориентироваться по Солнцу и звездам, утеряно навсегда, и мы никогда не сможем отдать должное этой гениальной находке.
Но и этого людям показалось недостаточно. В своем вечном стремлении если не сразиться, то хотя бы посоревноваться с природой, они создают и запускают искусственные спутники. В феврале 1978 года был выведен на орбиту первый спутник системы NAVSTAR. Эту дату можно считать днем рождения Системы Глобального Позиционирования GPS (Global Positioning System).
Ничто не дает такого сильного импульса научным разработкам, как военные заказы. Именно поэтому GPS система разрабатывалась Министерством обороны США. Помимо военных целей, попутно она имела и коммерческий доступ. Правда, точность данных, полученных коммерческими пользователями, была не более 100 метров. Дело в том, что МО США вводило искусственное снижение точности спутникового сигнала. Это называлось Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A). Однако 1 мая 2000 года по решению президента США (!) "Избирательный Доступ" был отключен, и мы можем законно пожинать плоды спецов штатовской оборонки.
Что представляет собой навигационная система GPS на сегодняшний день?
Система GPS состоит из совокупности 29-ти искусственных спутников Земли (спутниковая система NAVSTAR), 4-х наземных станций слежения, 3-х станций связи и центра управления наземным сегментом системы. Всё это объединено в общую сеть и управляется Министерством Обороны США. В общем случае элементом системы является собственно GPS-приемник, без которого вся затея, мягко говоря, теряет смысл. О них речь пойдет чуть ниже.
Поскольку основой GPS является спутниковая система Navstar, остановимся на ней чуть подробней. Из 29-ти спутников 24 являются рабочими, 5 - резервными. Орбиты спутников расположены в 6-ти плоскостях, наклоненных под углом 55° к экватору Земли (по 4 в каждой), период обращения каждого спутника 12 часов. Такое расположение является оптимальным: с любой точки земной поверхности одновременно видно 5-12 спутников. Именно поэтому, кстати, самое распространенное число каналов в GPS-приемниках - 12. Каждый спутник размером около 5 метров весит приблизительно 800 килограмм. Главные устройства: несколько наиточнейших атомных часов (точность - 1 наносекунда) и источник мощностью 50 Вт, каждую миллисекунду подающий радиосигналы на частотах 1575.42 МГц и 1227.60 МГц. Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет.
Однако оставим в покое спутники: они далеко (на высоте ~20200 км). Пусть, как говорится, «бороздят» да подают сигналы. Поговорим о том, что Вы уже держите в руках или собираетесь приобрести - о GPS-приемниках.
Может показаться удивительным, но информация, зашифрованная в радиосигнале со спутника, содержит всего два параметра, которые нужны GPS-приемнику для определения его координат. Это точное время и время отправки сигнала, и ничего более!
Конечно, спутник передает еще массу данных, о степени секретности которых нам остается только догадываться. Не будем забывать, что система военная, и вряд ли американцы стали бы запускать проект стоимостью в десятки миллиардов долларов (!) ради того, чтобы пеший курьер Вася Иванов смог кратчайшим путем пройти с Полянки на Лубянку.
Точное время нужно для того, чтобы синхронизировать часы приёмника и часы на спутнике, а время отправки сигнала - для того, чтобы вычислить разницу между временем отправки сигнала и временем его получения. Умножая эту разницу на скорость распространения радиосигнала (она постоянна и равна скорости света ~ 300000 км/ч), получаем расстояние между приемником и спутником. Зная расстояния до 3-х спутников с известными координатами, приемник рассчитывает собственные координаты (широту и долготу). Для определения высоты над уровнем моря потребуется информация уже не менее, чем с 4-х спутников. Для выведения расчетных формул достаточно школьного курса геометрии.
Естественно, есть определенные погрешности расчетов. Они связаны с многолучевым распространением радиосигналов (влияние переотраженных радиоволн на приемник), ошибками в ходе атомных часов, отклонениями спутников от орбит, ионосферными и атмосферными задержками сигналов и др. Не будем детально разбирать эти вопросы, скажем лишь, что вспомогательное оборудование системы GPS, продуманная конструкция антенн и специальные алгоритмы позволяют минимизировать неточности расчетов.
Заканчивая краткий экскурс в основы технологии GPS-системы, добавим, что американская спутниковая система не единственная в своем роде. На космической орбите работают российские спутники системы Glonass. В результате сотрудничества с Индией эта система должна стать доступной гражданскому населению и составить конкуренцию GPS в ближайшее время. Вскоре стартует европейский проект Galileo, который может произвести передел рынка спутниковой навигации.
Перспективы развития этой отрасли огромны. Инженеры военных ведомств проводят колоссальную работу по улучшению существующих систем и разработке принципиально новых технологических подходов. Это и модернизированные способы кодирования и обработки радиосигналов, и усовершенствованные алгоритмы коррекции расчетов и многое другое. Все эти усилия направлены на повышение точности позиционирования. Если уже сейчас благодаря GPS-навигации можно посадить военный самолет на палубу авианосца в условиях нулевой видимости, то лет через пять можно будет и нитку в иголку продеть.