 GPS:
если уж позиционироваться, то только глобально
Глобальную Систему Позиционирования (GPS) называют "созвездием,
созданным человеком". Разработанная в недрах DoD'a (Department of
Defense), она стала самым главным навигатором в авиации и координатором
в геодезии и инженерии.
В общей сложности для этого понадобилось 12 миллиардов долларов денег и
несколько десятилетий времени.
GPS представляет собой систему из трёх составляющих. Космический
"сегмент" — это 24 спутника, которые вращаются на околоземной орбите на
высоте 20 тысяч км со скоростью 7 тысяч миль в час. Орбита каждого
спутника 22 200 км, а период обращения — приблизительно 12 часов. Все
они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.
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.
Схема расположения 24 спутников.
Каждый рассчитан на 10 лет службы,
после его заменяют точно таким же
Наземный "сегмент" — это контролирующе-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 которого, 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 координат, в которой любой объект — статичный или движущийся —
обретает точные координаты.
Кроме того, учитывается время, пройденное импульсом с расчётом
погрешностей, происходящих 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 "увеличение" — до 3-5
метров. Они 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 влево или вправо.
Идея настолько проста, что её реализацию "тормозила" только
неразвитость космонавтики. Естественно, история GPS начинается в 60-х,
когда ВМФ и ВВС США устремили свои взгляды 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", которые
разрабатывались в рамках военно-морской программы TIMATION и являются
эталоном времени. ВВС, в свою очередь, взяли на себя разработку Navstar
Global Positioning System.
Первый спутник был запущен в 1978 году, а с 1989 года производится
запуск спутников нового поколения. Первые одиннадцать спутников
двигались совсем по другой орбите, по сравнению с современными, и были
предназначена для того, чтобы апробировать систему и показать
реальность задачи.
Надо заметить, что проект вёлся 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 понять, 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'у сидеть "собакой на сене".
Во-первых, решили разделить "сервисы" для гражданских на две группы:
стандартный сервис (Standard Positioning Service) и сервис повышенной
точности (Precise Positioning Service).
Стандартное — значит ненаправленное и доступное для целой группы
пользователей позиционирование с точностью до 100 метров по горизонтали
и 156 — по вертикали. Так называемый "селективный доступ" дозируется
военными с помощью приборов зашумления радионавигационного сигнала:
проще говоря, глушат.
 "Спецпозиционирование"
проводится с точностью до 22 метров по
горизонтали и 27 по вертикали. Гражданам дают так "позиционироваться"
лишь в том случае, если информация не вредит интересам США плюс в
процессе работы DoD, естественно, может, заниматься проверками и опять
же временно глушить сигнал.
В это сложно поверить, что при всех этих мерах безопасности вплоть до
2000 года все данные, предоставляемые гражданским лицам и организациям,
содержали небольшую погрешность — метров эдак в 100, о которой, по
понятным причинам, никто из клиентов не знал. Видимо, когда стало
очевидно, что США теряют монополию на GPS, смысл в этой мере отпал.
Здесь стоит отметить, что используя термин GPS в данном случае, мы
позволяем себе определённую вольность. Здесь, конечно, речь идёт лишь
об одной GPS — американской — под названием Navastar. Её эксплуатацию и
контроль над ней ведёт исключительно DoD. Известны как минимум ещё две
крупные GPS, которые, возможно, имеют дело с иным количеством наземных
и орбитальных объектов. Это российская GLONASS и GPS Европейского
Космического Агентства "Галилей". Правда, "Галилей" ещё не выведен на
орбиту.
Конечно, самая важная сфера, которая получила совершенно новые
возможности, благодаря GPS, — это транспорт. Например, со временем
радионавигация позволит сократить "самолётные" маршруты, уменьшить
промежутки между рейсами. Аналогичные нововведения ждут и флот. Причём,
с учётом экономии топлива, это означает миллиардную выгоду.
GPS c каждым годом всё интенсивнее используется в геологии, геодезии,
картографии и аэрофотосъёмке, гидрографии, планиметрии. В инженерии нет
более необходимого прибора, чем GPS-ресивер, который используется для
координирования масштабных строительных объектов: мостов, автомобильных
шоссе и так называемых протяжённых продуктопроводов. Слова звучат
обыденно и по-цементному серо, но вот реальный пример.
В Гонконге стоит (вернее, висит) самый длинный подвесной мост, по
которому проходят железная дорогая и шоссе для автомобилей. Его длина —
более 4,5 тысяч футов (почти полтора километра). По замыслу
архитекторов, мост может выдерживать достаточно большие нагрузки,
причём были просчитаны максимальные расстояния, на которые мост может
прогибаться и раскачиваться. Известно, что если колебания в сторону
моста превысят 15 футов (4,5 метра), то это деформирует стальные тросы,
на которых мост держится, что неминуемо приведёт к катастрофе.
Инженеры, которые следят за мостом, установили на мосту 14
GPS-датчиков, которые просчитывают точное местоположение моста в трёх
измерениях. Датчики объединены оптоволоконным кабелем, и 10 раз в
минуту данные поступают на центральный компьютер.
Полученная информация соотносится с данными по скорости ветра,
нагрузкой на мост в определённый период времени. Таким образом,
строители могут определить конкретное место на мосту, где нужно
произвести ремонтные работы и отрегулировать трафик на мосту.
 Инженер Кай-Йен Вонг (Kai-yuen
Wong) министерства транспорта Гонконга
официально заявляет, что никакая другая технология не смогла бы
справиться с этой задачей.
Ещё один пример, когда датчики GPS могут помочь, — исследование
водоворотов океанических течений, которые, в частности, имеют отношение
к климатическим изменениям. Их диаметр иногда достигает 100 миль, и
отследить "жизнь" водоворота с малейшими изменениями уровня воды, иными
способами практически невозможно.
Исследовательский спутник Topex/Poseidon, который совместно
"эксплуатируют" NASA и Французское Космическое Агентство, занимается
изучением флуктуаций воды в местах водоворотов. Но на расстоянии 12
миль от суши полученные данные поступают с помехами.
Кроме того, спутник может наблюдать место водоворота только один раз в
10 дней — таков период его обращения на орбите, но изменения происходят
чаще. Таким образом, пришлось обратиться к GPS: на скалах были
установлены датчики, которые отслеживают флуктуации в пределах
нескольких сантиметров. По мнению учёных, вовлечённых в этот проект,
если установить датчики на горных вершинах, холмах и высотных зданиях,
то осуществлять контроль над уровнем воды в мировом океане будет
гораздо легче.
Ещё одна сфера, где переоценить значение GPS сложно, — сейсмология.
Японский Географический Институт (Japan's Geographical Survey
Institute) осуществляет проект предупреждения землетрясения при помощи
GPS датчиков, размещённых на расстоянии в 15 миль друг от друга в
сейсмоопасной зоне. Сейчас используется приблизительно 1000
датчиков-приёмников. Каждый распложен на высоте 15 футов и
"контактирует" со спутником каждый 30 секунд.
С помощью этой системы были зафиксированы аномальные колебания
в районе города Нагоя — четвёртом по количеству жителей городе Японии.
Ранее было зафиксировано, что земной пласт, на котором расположен
город, смещается на запад в среднем на 3 см в год. С января 2001 года,
только благодаря GPS, заметили, что город движется с той же скоростью,
но уже в противоположном направлении.
По словам японского геодезиста Макото Мураками (Makoto Murakami), это
означает, что в ближайшие годы в этой области возможны сильнейшие
землетрясения — повысилась активность земной коры. Кстати, благодаря
GPS можно прогнозировать и место землетрясения.
Теперь пару слов о том, какой прок от GPS простому смертному. В
персональный GPS-ресивер можно будет закачивать карту любой местности и
по ней перемещаться. Вещь незаменимая, особенно в чужом городе. А
установив специальные приемники на мобильный объект (авто, человек,
животное) можно наблюдать за его перемещением на расстоянии (мониторинг).
Другая GPS-перспектива — использование в портативной
системе визуализации
MARS.
(по материалам сайта membrana.ru)
|
