Обзор современных систем спутниковой навигации

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

спутниковая навигационная глобальное позиционирование

На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская NAVSTAR. Именно к ним принято относить популярное сокращение GPS.

Давайте взглянем на них с точки зрения обывателя, не искушенного в тонкостях технологии, но имеющего желание (и возможности) применять практические блага этой технологии в быту. Будем откровенны: большинство граждан представляют себе GPS исключительно по портативным приемникам или автомобильным системам навигации. В результате у рядового потребителя к бытовым приемникам GPS сложилось отношение как к забаве для состоятельных людей, либо как к специфическому хобби.

Отчасти причиной этого является недостаточная популяризация технологии GPS в нашей стране. Если научная сторона вопроса освещается на должном уровне, в сборниках научных работ, то изложение информации, интересной и понятной массовому потребителю, происходит в недостаточном объеме.

В течение многих веков путешественники нуждались в методах определения своего местоположения на суше и на море. На суше можно было с удовлетворительной точностью по преметам ландшафта, используя компас, карту и отмечая пройденный путь. Чем подробнее карта, тем точнее удается определить свое положение на местности. Туристу или охотнику в большинстве случаев достаточно знать, как выйти на околицу деревни или к дороге федерального значения. Более подробно он ориентируется по визуальным признакам и на этом уровне ему совершенно не требуется точное знание геодезических координат.

Но стоит лишь немного усложнить ситуацию, как становится очевидной потребность в точных координатах. Например, при поисково-спасательных работах априорное знание координат может значительно сократить время поисков и спасти жизни пострадавшим. Многие хорошо экипированные группы и отдельные путешественники имеют с собой аварийные радиомаяки. Координаты некоторых радиомаяков вычисляют, пеленгуя их со спутников. Точность этого метода во многих реальных ситуациях, к сожалению, недостаточно велика. GPS-маячки нового типа в случае опасности автоматически передают на спутник свои координаты. Но чтобы автоматически передать координаты, их сначала надо автоматически определить. Поэтому такой маячок содержит в себе портативный приемник сигналов GPS. Очевидно, что это уже не дорогая игрушка, а эффективное средство спасения.

Далее, поисковая группа может двинуться на поиски, ориентируясь исключительно по карте. Любая карта, являясь условным изображением реальной местности, во-первых, должна быть точно привязана к системе координат «широта/долгота». Во-вторых, любая карта имеет определенные погрешности в изображении и привязке. У поисковой группы может просто не оказаться достаточно точной карты местности (это вовсе не редкость даже сейчас, особенно в горных районах) и реальная зона поисков при наложении всех погрешностей может «размыться» на несколько километров. Пилоты военной авиации имеют при себе аварийные маячки с автоматическим определением координат. Например, пресс-служба ВВС США неоднократно с гордостью подчеркивала, что для спасения пилотов, катапультировавшихся во время военных действий, поисковым группам для обнаружения пилотов требовалось ровно столько времени, сколько необходимо, чтобы добраться до конкретно заданной точки.

Привязку карты можно выполнять традиционными способами, при помощи угломерных методов, для чего требуются точные часы и прибор, замеряющий в данный момент времени положение Солнца на небосводе. Такой метод требует достаточно громоздкого оборудования, кропотливой работы, специальных навыков и дает точность, недостаточную для множества современных применений. Теперь для геодезических целей существует специальное оборудование на базе дифференциальных подсистем GPS, позволяющее позиционировать контрольные точки с точностью до доли сантиметра. Причем автоматически измеряются не только координаты на земной поверхности (долгота/широта), но и высота над уровнем моря.

Геодезическое оборудование, конечно, не относится к персональным бытовым приборам, но, так или иначе, имеет к нам отношение. Рано или поздно большинство из нас либо поедет по дороге, у которой практически отсутствуют вертикальные отклонения полотна, либо воспользуется высокоточной картой, либо по мобильному телефону со встроенной GPS вызовет аварийную службу на проселочную дорогу и будет уверен, что его там найдут, причем максимально быстро.

Если на суше GPS действительно воспринимается, как дополнительное устройство, то в открытом море система спутникового позиционирования почти незаменима. Однако, не стоит забывать о случаях, когда система спутниковой навигации отказала во время шторма и штурман был вынужден, как и много веков назад, прокладывать курс традиционными способами.

Те, кому доводилось использовать или видеть систему навигации для автомобилистов, пожалуй, согласятся, что сама по себе система навигации, способная показывать движущуюся красную точку на карте, имеет не столь уж большую ценность для рядового автолюбителя. Хорошая автомобильная система навигации представляет собой развитый информационный комплекс, в котором привязка объекта к координатам играет едва ли не вспомогательную роль. Как правило, автолюбителю более важно знать расстояние до заправки, гостиницы и т.д., нежели широту и долготу своего местоположения. Поэтому современные автонавигаторы используют компакт-диски, на которых кроме набора карт записана самая различная информация справочного и рекламного свойства, вплоть до фотографий внешнего вида зданий, чтобы облегчить автомобилисту ориентацию в незнакомом городе. Сокращенно этот сервис называется IIS - Integrated Information System. Да, пока комплексные автомобильные системы GPS+IIS стоят весьма дорого, обычно от $1200 до $3000. Но такова судьба всех новинок, в предстоящем снижении цен и повышении доступности можно не сомневаться.

С точки зрения массового потребителя, система спутникового позиционирования совершила относительно «тихое» вторжение в нашу повседневную жизнь. Результаты этого вторжения далеко не так очевидны и понятны, как, например, в случае с изобретением и распространением телефонной связи, телевидения или Интернет. Тем не менее, аббревиатура GPS все чаще слышна в обиходе, а соответствующее оборудование наконец-то в достаточном ассортименте и по доступной цене можно приобрести и в нашей стране.

Необходимо с самого начала внести ясность в базовую терминологию. Начнем с того, что к сожалению, фактическим «законодателем стандартов» в спутниковом позиционировании, и особенно в его бытовом сегменте, стали США. Речь идёт о широко распространенном потребительском оборудовании, которое во всем мире ассоциируется, прежде всего, с принадлежащей США навигационной системой NAVSTAR. Причина эта, скорее, не в национальном научном потенциале, а в том, что США смогли регулярно инвестировать в свою программу сотни миллионов долларов, именно в тот период, когда Советский Союз переживал тяжелейшие времена застоя и последующего распада. Ведь спутниковое позиционирование - это, прежде всего, космическая программа, влекущая за собой множество сопутствующих исследований и разработок, требующих гигантских капиталовложений. Исторически сложилось так, что запустив первый спутник и являясь признанным мировым лидером в освоении космоса, наша страна до сих пор испытывает проблемы с построением собственной системы спутниковой навигации.

Неправильным было бы, на мой взгляд, предположение, что только гражданские потребности послужили толчком для создания GPS. Системы глобального позиционирования и в США и в России создавались, прежде всего, для военных целей. В 1960…1970 гг. гонка вооружений была в самом разгаре и военные строго нуждались в высокоточной системе позиционирования, действующей в любом месте земного шара и круглосуточно доступной для любого военного объекта. Военные доктрины развитых стран к этому моменту претерпели существенные изменения. Появилось ядерное оружие, имеющее огромную разрушительную мощь, были созданы эффективные носители, способные доставить его в любой регион. Стало очевидно, что при задействования столь мощного вооружения война просто не может быть долгой, и победит тот, кто первый и с максимальной точностью нанесет дистанционные удары по инфраструктуре противника. Первым требованием военных было создание системы точного наведения ракет и бомбардировщиков на цель. Кроме этого, военно-морской флот остро нуждался в эффективной и надежной системе навигации для ракетонесущих подводных лодок. С одной стороны, необходимо обеспечить позиционирование самой субмарины, желательно без частых всплытий, а с другой стороны, организовать наведение на цель имеющихся на борту баллистических ракет.

Следующим, после военных, крупнейшим потребителем услуг точного позиционирования являются государственные картографические службы.

Преимущества спутниковой навигационной системы.

Во-первых, истинную глобальность навигационного сервиса может обеспечить только использование спутников, так как любая другая система заведомо будет иметь локальный характер. Наземные станции можно разместить только на территории своей страны или дружественных стран, морские просторы в этом случае вообще не поддаются полному охвату. Во-вторых, использование станций, находящихся на земной поверхности, не позволяет с необходимой точностью определять высоту объекта. Кроме того, использование спутников, излучающих сверхвысокочастотный сигнал, позволяет сделать пользовательское оборудование по-настоящему мобильным. Мобильность повышается также за счет того, что максимально возможная функциональная нагрузка вынесена на спутники и наземные станции управления, а мобильное приемное устройство должно произвести лишь окончательную обработку заранее подготовленной информации.

Каждый спутник, входящий в состав GPS, излучает радиосигнал определенного рода. Любое пользовательское устройство GPS, гражданское или военное, прежде всего, является приемником этих радиосигналов (поэтому возникло не совсем корректное словосочетание «приемник GPS»). Но сигналы недостаточно принять со спутников, необходимо произвести измерение их параметров, извлечь заложенную в них информацию и произвести довольно сложные вычисления. Полученную информацию чаще всего необходимо отобразить в виде, понятном человеку. Устройство, которое проделывает все эти операции, называют пользовательским терминалом (или приемомндикатором ) GPS, тогда как просто приемник GPS обычно является лишь модулем более сложного устройства или комплексной системы. Но традиционно, в быту, мобильные терминалы GPS называют просто приемниками.

Как это часто случается, потребности стимулируют появление новых возможностей, а новые возможности, в свою очередь порождают новые идеи и потребности. Так, например, с появлением портативных приемников GPS возникла идея создания принципиально новой автомобильной системы безопасности. Такая система способна точно отслеживать координаты автомобиля и передавать их на пост контроля, используя обычную сотовую связь. Появилась возможность принципиально перестроить систему управления движения поездов, размещая на них приемники GPS. Новая система способна не только точно отслеживать и оптимизировать движение поездов, но и автоматически включать режим экстренного торможения при опасном сближении составов.

Более тог, в настоящее время GPS используется даже для решения такой чрезвычайно критичной задачи, как автоматическое выведение летательных аппаратов на посадочную глиссаду и далее до точки касания со взлетно-посадочной полосой. Разумеется, в этом случае к системе предъявляются особо жесткие требования и применяются специальные функциональные дополнения. Например, дополняющим компонентом может быть точно позиционированный наземный передатчик, имитирующий сигал спутника (псевдолит).

За рубежом отсутствие необоснованных бюрократических преград и ценовая доступность бытовых приемников GPS сделали оборудование спутникового позиционирования обязательным элементом оснащения туристов, охотников, рыбаков - иными словами, всех, кто вынужден путешествовать вдали от дома.

Зарубежные автомобилестроительные фирмы встраивают оборудование GPS в некоторые модели автомобилей в качестве штатного оборудования. Пока это лишь дорогие модели, но наблюдается тенденция к комплектации терминалами GPS и моделей среднего ценового диапазона. Можно не сомневаться, что рано или поздно приемник GPS станет обязательным компонентом любого автомобиля.

Эти факты лишний раз доказывают, что в ближайшем будущем системы спутниковой навигации будут все больше влиять на качество нашей повседневной жизни, а информация об их устройстве и возможностях имеет большую познавательную ценность для людей, интересующихся достижениями современной науки.

Системы спутниковой навигации и их приложения представляют собой одну из наиболее динамично развивающихся отраслей мировой экономики. Если к 2000г общий оборот её продукции составил примерно 1 млрд.евро, то к 2005г он превысит 8 млрд.евро.

Оборудование спутниковой навигации нашло широкое применение и рассматривается в качестве штатного для морских и воздушных судов, причем даже не самого высокого класса, космических аппаратов. Оно стало привычным средством в землеустройстве, при мониторинге, съемках местности и геодезических работах.

Выпуск сравнительно недорогой потребительской аппаратуры обусловил начало её вхождения в наш быт, спорт, туризм и путешествия.

Поразительное распространение получило использование спутниковой аппаратуры для автомобильной навигации. К 2000-ому году удельный вес общей стоимости таких устройств на европейском рынке по оценке фирмы Thales1 составил 73%, тогда как доли авиации и морского флота не превысили 5 и 4% соответственно.

Рис. В.1. Распределение европейского рынка СРНС

Однако мы стоим на пороге ещё более мощных изменений вследствие оформившейся тенденции к интеграции мобильных телефонов (МТ) и приемников спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Выпущены на наш рынок первые образцы объединённой аппаратуры GSM+GPS фирмы Benefon. По прогнозу Thales к 2005г на объединённые с GPS «трубки» будет приходиться 73% европейского рынка изделий СРНС, на автомобильные приемники - 23%, а доли авиационных и морских средств не будут превышать 1% каждая (Рис. В.2.).

Объединение спутниковых навигационных и мобильных телекоммуникационных технологий определяется стремлением обеспечить пользователя точным знанием места для его обращения к информационным источникам и эффективной работы службы спасения. Таким образом, спутниковые приемники начали вторжение в область связи, обработки и передачи данных, информационных технологий и интернет.

В то же время сами спутниковые радионавигационные системы не стоят на месте. Находится в стадии развития и модернизации GPS. Федеральная целевая программа России на 2002-2011гг. «Глобальная навигационная система» предусматривает воссоздание полной группировки ГЛОНАСС к 2008 году и на этот же год намечено создание Европейской СРНС «Галилео». Находятся на стадии испытаний дополняющие широкозонные дифференциальные подсистемы - Северо-Американская WAAS и Европейская EGNOS, строится аналогичная японская подсистема MSAS, расширяется сеть морских и геодезических дифференциальных подсистем. Разрабатываются и появляются на рынке новые более совершенные образцы аппаратуры пользователей, совершенствуются способы её применения.

Все эти факторы определяют и поддерживают устойчивый интерес к вопросам спутниковой навигации и ее приложений со стороны многих читателей, который не удовлетворяется имеющейся литературой. Действительно, классическая монография «Сетевые спутниковые радионавигационные системы» (В.С. Шебшаевич и др.) стала библиографической редкостью; известной книге «Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС» при всех её достоинствах свойственна вполне понятная односторонность, такие издания, как «Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС», публикации в периодических журналах имеют ограниченный тираж и своих читателей-специалистов, в основном, в области радиотехники и навигации.

Рис. В.2. Распределение европейского рынка СРНС, 2005г.

История развития СРНС

После изобретения радио и разработки конструкций направленных антенн, были предприняты вполне очевидные попытки применить для целей навигации радиомаяки, работающие за пределами оптической видимости. Кроме морской навигации, радиомаяки стали широко применятся (и применяются до сих пор) в авиации для прокладки и коррекции курса летательных аппаратов. Как правило, они работают в диапазоне средних волн, а для приема сигнала используется комбинированная рамочная антенна с узкой диаграммой направленности. Существуют маяки УКВ-диапазона. Различают авиационные радиомаяки дальнего и ближнего привода. Радиомаяки позволяют скорректировать показания бортового магнитного компаса и частично заменить или продублировать его. Точность работы бортового радиокомпаса позволяет пилотам гарантированно выйти на такое расстояние к аэродрому, при котором возможна дальнейшая визуальная ориентация в пространстве, например, по местности (малая авиация) или огням взлетно-посадочной полосы.

Анализируя работу радионавигационных систем, основанных на радиомаяках, можно обнаружить, что традиционные радиокомпасы, решая с приемлемой точностью задачу курсоуказания , не позволяют решить задачу точного позиционирования на местности, т.е. определения долготы и широты объекта.

Пусть у нас имеются два береговых передатчика, А и В, и расположенный на корабле приемник О. Передатчики излучают сигнал равномерно во все стороны. Антенна корабельного приемника имеет направленное действие, т.е. когда она определенным образом повернута в сторону передатчика, амплитуда принимаемого сигнала многократно возрастает. Теоретически, если мы идеально точно определили направления на передатчики, имеющие заранее известные координаты, то мы соответственно точно определили свое местоположение на единственно возможном пересечении азимутов в точке О.

Расстояние до передатчиков многократно превышает длину волны, поэтому мы рассматриваем передатчики как точечные излучатели.

Проблема в том, что не существует антенн с идеальной диаграммой направленности, и чем острее направленность антенны, тем сложнее ее конструкция. Кроме того, если мы хотим, чтобы система позиционирования действовала за пределами оптической видимости, мы должны использовать достаточно длинные радиоволны, способные огибать горизонт. Но чем больше длинна волны, тем большие физические размеры должна иметь идеальная направленная антенна. Поэтому точность действия направленной антенны ограниченна ее разумными конструктивными размерами.

Погрешность определения азимута на радиомаяк, представленную в виде некого угла ц, путем простейших геометрических преобразований можно условно спроецировать во встречный угол ц' с вершиной позиции радиомаяка.

Очевидно, что с учетом погрешности азимутов, вместо точных координат мы получаем некую область вероятного местонахождения.

На расстояниях до радиомаяков, исчисляемых сотнями километров, погрешности измерения азимута в доли градуса проецируются в погрешности измерения местоположения, исчисляемые сотнями метров. На протяженных воздушных трассах погрешность позиционирования летательного аппарата достигает нескольких километров по величине бокового отклонения от трассы.

В стационарных условиях можно заметно сузить область вероятного местонахождения, принимая за основу такой угол антенны, который является средним между двумя крайними достоверными положениями. Однако на практике, в условиях нестабильно движущегося объекта, каким может являться небольшое судно, выбрать правильные направления чрезвычайно сложно, поскольку требуется гироскопирование всего приемного антенного узла. Подобные механические системы весьма дороги и ненадежны.

Кроме этого, в случае с двумя передатчиками А и В, если они расположены на одной линии с приемной антенной, возникает абсолютная невозможность определения местоположения. Наличие третьего радиопередатчика устраняет проблему неоднозначности, но лишь незначительно повышает точность местоопределения.

Следовательно, для успешного решения задачи местоопределения необходимо измерять дальности, т.е. расстояния между приемником и передатчиками. Зная лишь дальности до трех передатчиков, расположенных в одной плоскости с приемником, можно однозначно решить задачу местоопределения.

Координаты объекта (точка О) являются координатами точки пересечения воображаемых окружностей с радиусами R1, R2 и R3, равными дальностям. Третий передатчик необходим для устранения возможной неоднозначности, возникающей при пересечении двух окружностей ( точки О и О'). Очевидно, что в случае с измерением дальностей направленность действия приемной антенны не влияет на точность позиционирования. Но решающее значение приобретает точность синхронизации шкал времени передатчиков и приемника и величина погрешности, возникающей при измерении времени распространения сигнала.

Появление в 1960-х годах чрезвычайно точных атомных часов позволило существенно снизить погрешности дальномерного метода, до уровня, достаточного для широкого применения его на практике.

Практическим воплощением дальномерного метода в США является морская навигационная система LORAN (Long Range Aid to Navigation - Навигационное оборудование дальнего радиуса действия), имеющая чрезвычайно большое значение в истории развития GPS, поскольку в ней впервые было использовано определение времени прохождения сигнала от передатчика до приемника, получившее дальнейшее развитие в системах спутниковой навигации. Значение скорости распространения радиосигнала давно известно науке, поэтому, измерив с достаточной точностью время распространения радиосигнала, можно легко вычислить точное расстояние до передатчика. Передатчик излучает сигнал непрерывно, а время распространения сигнала вычисляется по набегу фазы за время прохождения радиоволнами расстояния до приемника. Поскольку относительный набег фазы прямо пропорционален времени прохождения сигнала, по разности фаз между внутренним опорным сигналом приемника и принимаемым сигналом вычисляется расстояние до передатчика.

1.1 Развитие радионавигации в США

Как это происходило и происходит с множеством высоких технологий, сначала GPS разрабатывалась как сугубо военная система, и на деньги выделенные из государственного бюджета США на нужды Министерства обороны. Военные нуждались, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего радиуса действия, и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Вполне очевидным решением было объединение этих двух задач в одну - создание системы точного позиционирования. Начиная с 1960-х годов Министерство обороны США начало развивать идею создания глобальной, всепогодной, непрерывно доступной, очень точной системы навигации и позиционирования.

В случае с GPS Министерство обороны США попыталось проявить редкостную дальновидность в плане последующей экономии денег. Было очевидно, что система, обладающая подобными характеристиками, имеет обширные перспективы для гражданского применения. Поэтому с самого начала от разработчиков было затребовано, чтобы оконечное (пользовательское) оборудование было доступно самым разнообразным пользователям, но при условии, что военные смогут по своему желанию и в любой момент ограничить его функциональность, вплоть до полного блокирования. Подразумевалось также, что распространением пользовательского оборудования будет управлять Министерство обороны США, частично компенсируя свои расходы. Известно, что в итоге получилось не совсем так: разработкой, производством и продажей пользовательского оборудования занимаются многие независимые коммерческие организации, а реальная величина затрат многократно превысила первоначальные расчеты. Но, в любом случае, Соединенные Штаты не прогадали. Образно выражаясь, практически весь цивилизованный мир проглотил гигантскую наживку на крючке, который всегда можно подсечь. Вот эффектный пример: стоит правительству США полностью закрыть доступ к сервису GPS для гражданских пользователей, как во всем мире будет частично затруднена,а в отдельных случаях и полностью парализована работа сетей мобильной связи. Дело в том, что для синхронизации сетей связи дешевле и проще всего использовать сигнал точного времени со спутников GPS или ГЛОНАСС, но реально в мире заметно шире распространено оборудование стандарта GPS NAVSTAR. Понимание этой проблемы привело к тому, что сейчас все большее число пользовательских приемников имеет возможность работы в двух системах.

Когда основные требование к системе были определены, Военно-морские и Военно-воздушные Силы США приступили к разработке концепции использования в целях навигации и позиционирования радиосигналов, излучаемых со спутников. Безусловно, толчком к такому пути развития послужил запуск Советским Союзом первого искусственного спутника в 1957 г. Соединенные Штаты напряженно следили за полетом советских спутников, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигнала через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спутника по орбите доплеровский сдвиг частоты. Исследования APL (Applied Physics Laboratory, лаборатории прикладной физики) показали, что по доплеровскому сдвигу можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (Frank T.McClure) из APL указал, что наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите. Возник интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основании принятых со спутника сигналов.

Военно-морские силы финансировали две программы, ставшие предшественниками GPS: Transit, Timation. Система Transit стала первой действующей спутниковой навигационной системой. Разработанная в 1964 г. в лаборатории прикладной физики имени Джона Гопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера, система Transit состояла из 7 низкоор-битальных спутников, которые излучали очень стабильные радиосигналы. Несколько наземных станций слежения контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи системы Transit определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника.

Изначально разработанная Военно-морскими силами для управления подводными лодками с баллистическими ракетами Polaris на борту и иными военными объектами, находящимися на поверхности океана, в 1967 г. система Transit стала доступна для гражданских пользователей.

Она была очень быстро приспособлена для навигации больших коммерческих судов и небольших частных катеров и яхт. Причем число гражданских пользователей быстро превысило число военных. Несмотря на то, что система Transit обеспечивала основные потребности в навигации судов, она имела много недостатков: низкое быстродействие, потребность в длительном наблюдении спутников, возможность позиционировать только стационарные или медленно движущиеся объекты, определение только двух мерных координат, отсутствие непрерывной доступности (время, когда ни один из спутников не был виден, измерялось часами), необходимость самостоятельного внесения пользователем коррективов для движущихся объектов - все это сделало невозможным применение системы в авиации и иных быстро движущихся объектах. Не последнюю роль сыграла невозможность избирательно ограничивать доступ к системе. Тем не менее, заложенные в Transit новые технологии были очень важны для последующего развития GPS. Так, например, в GPS используется алгоритм предсказания спутников, впервые разработанный для Transit.

Второй предшественник GPS, Timation, был разработан в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория) под руководством Роджера Истона. Программа исследований стартовала в 1964 г. и включала в себя запуск двух искусственных спутников, несущих на борту разработанные ранее сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигналов точного времени и определение двухмерных координат приемника. Основная идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированный сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее известные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким образом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.

Первый спутник, системы Timation запущенный в 1967 г., нес на борту сверхстабильные кварцевые часы, последующие модели использовали атомный стандарт частоты (рубидиевый и цезиевый). Атомные часы позволили значительно улучшить предсказание орбит спутников и существенно увеличить промежуток между корректировками спутниковых часов с наземного пункта управления. Эти передовые разработки космического стандарта времени явились важнейшим вкладом в создании GPS. Фактически, последние два спутника системы Timation являлись действующими прототипами спутников GPS.

Тем временем, Военно-воздушные силы США работали над аналогичной технологической программой, впоследствии названной "Система 621В". Она представляла возможность трехмерной (широта, долгота и высота) навигации с непрерывным доступом. В 1972 г. была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников - кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом (ПСК), индивидуальным для каждого спутника. Спектр такого сигнала весьма похож на спектр случайного шума с распределением по Гауссу, отчего сигнал и получил название шумоподобного.

Использование псевдослучайного кода позволяет значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников (эфемериды) и метки точного времени. Также при использовании псевдослучайного кодирования легко решается проб-лема ограничения доступа. В простейшем случае, коды могут быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям доступны только открытые коды, поэтому достаточно по команде с наземного пункта управления внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным остается только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью.

Для испытания технологии ПСК американские ВВС произвели серию экспериментов на испытательном полигоне Белая Пустыня в Нью-Мехико. Для имитации спутников использовались передатчики, размещенные на воздушных шарах и самолетах. Экспериментальное оборудование позиционировало самолет с точностью до сотых долей мили. Одновременно была сформулирована концепция глобальной системы из 16 спутников на геостационарных орбитах, чьи проекции на земную поверхность образовывали четыре овальных кластера, вытянутых на 30 градусов севернее и южнее экватора. Эта особая геометрия допускала последовательное развитие системы, поскольку для демонстрации реальной работоспособности было достаточно четырех спутников. Следовательно, один полный кластер из четырех спутников обеспечивал 24-часовое покрытие определенного географического региона ( например, Северной или Южной Америки).

Тем не менее, вплоть до 1973 г. не было заметно сдвига в разработке полномасштабной "Системы 621В". Частичной причиной этого явилась поддержка со стороны ВВС дополнительных разработок по спутниковой навигации, основанных на нескольких параллельных инициативах от различных организаций. Начиная с 1960-х, ВМФ США, ВВС США и сухопутные силы независимо друг от друга работали над радионавигационной системой, обеспечивающей всепогодное 24-часовое покрытие, и с точностью, достаточного для военного применения соответствующими службами. Лаборатория прикладной физики разработала техническое обеспечение для системы Transit и собиралась усовершенствовать систему, тогда как Военно-морская исследовательская лаборатория энергично расширяла систему Timation; сухопутные силы предлагали использовать собственную систему, названную SECOR (Sequential Correlation of Range, последовательное вычисление дальностей). Возникшая ситуация начала беспокоить Министерство обороны США, поскольку различные стратегии построения системы были опробованы на практике и пришло время для построения единой концепции. Для координации усилий всех исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, Министерство обороны США основало трехсторонний объединенный комитет названный NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group). В течении последующих нескольких лет комитет окончательно определил, какой должна быть система спутниковой навигации - количество спутников, высоту орбит , коды сигналов, метод модуляции - и сколько все это будет стоить.

Наконец, в апреле 1973 г., Военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик, объединяющий различные концепции построения систем спутниковой навигации в единую всеобъемлющую систему военного назначения, известную, как DNSS (Defense Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). Новая система должна была разрабатываться в Объединенном Центре разработок ВВС в партнерстве со всеми заинтересованными военными службами. Взаимодействием между различными службами с целью разработки концепции DNSS руководил полковник ВВС Брэд Паркинсон, программный директор Объединен-ного Центра.

К сентябрю 1973 г. была создана компромиссная система, вобравшая в себя все лучшие опции от прежних программ ВВС и ВМФ. Структура сигнала и частоты были заимствованы от "Системы 621В". Орбиты спутников основывались на структуре, предложенной для системы Timation, но с большей высотой, обеспечивающей 12-часовой период обращения вместо 8-часо-вого. Обе системы предполагали использование атомных часов на спутниках, но только ВВС про-верили эту идею на практике. Система, построенная по сформулированной концепции, теперь известна, как система глобального позиционирования NAVSTAR. В декабре 1973 г. Министерство обороны США утвердило и профинансировало первый этап разработки NAVSTAR GPS (планом работ было предусмотрено три этапа).

1.2 Опробование основной идеи GPS (1974-1979)

Первый этап подразумевал экспериментальное подтверждение пригодности общей концепции спутниковой навигационной системы, демонстрацию заложенного в нее потенциала и конкретизацию дальнейшего плана работ. Во второй этап включались полномасштабные инженерные разработки, в третий - производство и развертывание сегментов GPS. Исходная программа оценивалась приблизительно в 100 миллионов долларов и подразумевала изготовление четырех спутников, запуск ракет-носителей, три типа оконечного оборудования, средства управления спутниками и всестороннюю программу испытаний.

Самые первые спутники NAVSTAR на самом деле были двумя переделанными спутниками системы Timation, созданными в Военно-морской исследовательской лаборатории. Известные ныне, как технологические спутники №1 и №2, они несли на борту атомные часы, первые из когда-либо запущенных в космос. Несмотря на то, что эти экспериментальные спутники функционировали лишь в течении короткого периода времени между запусками в 1974 и 1977 гг., они позволили опробовать метод измерения дальности с использованием широкополосного радиосигнала и прецизионных меток времени, получаемых от орбитальных атомных часов. В качестве первого атомного стандарта использовался рубидиевый стандарт, затем более точные цезиевый и водородный.

Несколько позже были запущенны и протестированы спутники GPS, известные, как "Блок 1". Эта серия спутников поддерживала выполнение большинства программ для испытания системы. Между 1978и 1985 гг. одиннадцать спутников, построенных компанией Rockwell Interna-tional, были выведены на орбиту носителем Atlas-F, один спутник был утрачен из-за аварии при запуске. Остальные постепенно утратили пригодность из-за ухудшения точности атомных часов или поломки системы контроля высоты. Тем не менее, многие из спутников первого блока прослужили значительно дольше, чем подразумевавшиеся при разработке три года - в некоторых случаях более десяти лет.

Круговые орбиты спутников последовательно увеличивались с 925 км до 13000 км, а затем достигли окончательной величины в 20145 км. Также последовательно менялась несущая частота передатчиков: сначала 400 МГц, затем 1227 МГц, и позднее достигла современного значения 1575 МГц.

Незадолго перед началом запусков "Блока 1" военные предусмотрели двойное назначение спутников GPS. В дополнении к имеющемуся оборудованию позиционирования и точного времени, спутники могли нести на борту датчики ядерного взрыва (NUDET, nuclear deto-nation), предназначенные для обнаружения фактов испытания ядерного оружия, выявления ядерной атаки и оценки масштабов разрушения. Система могла быть также использована для контроля за соблюдением Договора о запрещении испытаний ядерного оружия, заключенного между США и СССР в 1963 г. Впервые датчики ядерного взрыва были размещены на шести спутниках GPS, запущенных 26 апреля 1980 г. Для контроля за соблюдением запрета испытаний ВВС США и Комиссия по атомной энергии ( предшественник Министерства атомной энергетики) совместно разработали серию спутников радиационного контроля, названных Vela. Датчики ядерного взрыва были также размещены практически на всех спутниках, запускаемых Министерством обороны, включая спутники NAVSTAR. Датчики, размещенные на первых спутниках GPS, не отличались от датчиков системы Vela. Впоследствии были разработаны датчики нового типа. Система обнаружения ядерных взрывов играет важную роль в контроле за выполнением Договора о нераспространении ядерного оружия от 1968 г. Министерство обороны США планирует и впредь размещать на спутниках GPS оборудование ядерного обнаружения.

Размещение датчиков ядерного взрыва непосредственно на спутниках GPS удобно еще и тем, что в случае ведения военных действий позволяет передавать первичную информацию о ядерном взрыве не только на центральную станцию слежения, но и напрямую на оконечные терминалы военных. Безусловно, это позволяет быстро принимать не только стратегические решения на уровне головного командования, но и тактические решения на местах.

Испытания пользовательского оборудования GPS начались в марте 1977 г., еще до того, как необходимые спутники были выведены на орбиту. Система наземных радиопередатчиков с питанием от солнечных батарей была размещена на крыше одного из исследовательских центров в Аризоне для симуляции сигнала от спутников GPS. Эти передатчики, названные псевдолитами (как производное от термина pseudo satellite), излучали сигнал, по структуре идентичный сигналу спутников GPS. И хотя сигналы, приходящие от наземных передатчиков, отличаются от сигнала из космоса, они позволяли приблизительно имитировать геометрию расположения спутников. Тем временем четыре спутника были выведены на орбиту и исследовательская группа принялась испытывать различные типы пользовательских терминалов, размещенных на самолетах, кораблях, грузовиках и армейских джипах. Испытывался даже носимый человеком приемник GPS. В то время он представлял собой ранец весом около 12 килограммов.

Обобщенная структура GPS состоит из трех сегментов: космического сегмента (спутники), пользовательского сегмента (приемники) и сегмента управления. Третий сегмент GPS - прототип наземного центра управления - был размещен в Ванденберге, штат Калифорния в описанный выше период времени. Когда все базовые компоненты системы были введены в строй, Объединенный Центр объявил о переходе к следующему этапу работ - полномасштабным инженерным разработкам GPS. Это случилось в августе 1979 г.

1.3 Развитие GPS (1980 - 1989)

Этот период отмечен попытками сохранить устойчивое развитие GPS, сопровождавшееся несколькими существенными спадами.

Первый спад случился в 1979 г., когда по решению Комитета по обороне планируемый бюджет программы на период с 1981 по 1986 гг. был урезан на 500 миллионов долларов (приблизительно 30процентов). В результате программа развития GPS была реструктурирована и ее рамки заметно сужены. Окончательное созвездие второго поколения спутников, именуемое "Блок 2", было сокращено с 24 до 18 (плюс три спутника, подготовленных в качестве аварийного орбитального запаса). Были ограничены требования к весу, энергетике, ядерной и лазерной устойчивости спутников. Также было решено временно ограничиться двумерным позиционированием на плоскости.

Хотя финансирование GPS было отчасти нестабильным в течении предыдущих этапов программы, до поры до времени она развивалась ровно, благодаря поддержке различных служб, принимавших участие в работах. Поскольку GPS это вспомогательная система, не являющаяся самостоятельным вооружением, и развивалась она "с нуля", не имея собственной долгой истории, прежние представления о стоимости разработок, как признавались сами военные, базировались на традиционных представлениях о стоимости разработки новых самолетов и танков.

Завершая тему современного применения GPS, следует отметить, что она, как и множество современных сложных (и чрезвычайно дорогих) технологий оказалась уязвимой для "несимметричного ответа". Так, например, в России как минимум два предприятия - Новгородс-кое ПО "Квант" и Брянский электромеханический завод выпускают комплексы электронного противодействия, подавляющие в том числе и сигналы всех существующих навигационных систем. Непосредственно перед началом операции в Ираке российские разработчики объявили о создании мобильных устройств, полностью блокирующих работу GPS в радиусе нескольких километров от танка или другой боевой машины. Как следствие, уже сейчас можно встретить предположения, что GPS ожидает участь сети ARPANET/Internet, превратившейся из военной системы в привычную часть гражданского быта.

1.4 Сегодняшнее состояние NAVSTAR GPS

Запуск в марте 1994 г. 24-го спутника второго блока завершил формирование созвездия GPS. К этому времени на орбите еще оставался один спутник первого блока, который прослужил на 11 лет дольше расчетного срока. Еще до запуска последнего спутника было официально объявлено, что система поддерживает 100-метровую (стандартную) точность позиционирования для гражданских пользователей всего мира. Также было заявлено, что Министерство обороны США обязуется за 48 ч уведомлять гражданских пользователей о плановом отключении сервиса стандартного позиционирования и уведомлять так скоро, как это возможно, об аварийных ситуациях в системе.

Начиная с 1996 г., на орбиту начали выводить спутники нового типа, "Блок 2R", изготовленные компанией "Martin Marietta", принадлежащей аэрокосмическому отделению кон-церна "General Electric". Эти спутники имеют расширенные возможности, включая систему автономной навигации AUTONAV. В случае невозможности контакта с наземной станцией управления, автоматически включается система AUTONAV, позволяющая спутнику автономно функционировать без потери точности как минимум 180 дней.

На момент написания это книги на орбите находилось 29 спутников NAVSTAR GPS, включая резервные. Для сравнения можно сказать, что в этот момент российская система ГЛОНАСС состояла всего из десяти неравномерно распределенных по орбитам спутников.

Во время разработки первоначальной концепции GPS считалось, что точности в 100 метров будет достаточно для гражданских применений. При испытаниях в конце 1970-х годов выяснилось, что коды стандартной точности позволяют достичь значительно лучших результатов. Реальная точность позиционирования в то время находилась на пределах 20...30 м. Для обеспечении преимущества военных в использовании GPS, было решено ввести преднамеренное ограничение точности для гражданских пользователей (режим избирательного доступа). Во-первых, вводились преднамеренные ошибки в передаваемые спутниками навигационные данные, во-вторых, намеренно занижалась точность эталонных сигналов времени, доступных гражданским пользователям. Разумеется, военным в отличие от гражданских пользователей, всегда были доступны точные навигационные данные.

Применение GPS в гражданской практике очень бурно расширялось, и вскоре стандартная 100-метровая точность (SPS, Standard Positioning Service) перестала удовлетворять гражданских пользователей. Такой точности подчас было недостаточно даже для навигации небольшой частной яхты, не говоря уже о таких серьезных приложениях, как гражданская авиация.

Первоначально, в соответствии с Директивой правительства США, предполагалось, что режим избирательного доступа будет отключен в 2006 г. Однако задолго до этого срока мировое сообщество пользователей GPS стало выказывать активное недовольство принудительным ограничением точности. У крупнейших американских производителей навигационных систем возникли трудности с расширением рынков сбыта и они, со своей стороны, также начали давить на американское правительство. Наконец, 1 мая 2000 г. президент США сделал заявление о том, что в полночь с 1 на 2 мая Соединенные Штаты отключат принудительное ограничение точности. это позволило в десять раз увеличить точность позиционирования для гражданских пользователей. Заявление президента США, выглядящее эффектным жестом доброй воли, совпало с участившимися слухами о том, что "заинтересованные стороны" уже научились обходить ограничение доступа и использовать GPS с боевой точностью.

Президент сделал оговорку, что США оставляют за собой право вновь включить избирательный доступ в случае возникновения угрозы национальной безопасности. Можно предположить, что за время, пока ограничение точности будет отключено, алгоритм ограничения изменится так, чтобы потенциальному противнику пришлось "взламывать" его заново. Впрочем, пока предпосылки для повторного введения ограничения точности не просматриваются. Даже проведение боевых действий в Ираке не привело к этому. Гражданские пользователи имели лишь временные неудобства, связанные с техническими мероприятиями при подготовке орбитальной группировки к боевым действиям.

1.5 Эволюция гражданского применения GPS

К сожалению, история официального применения GPS в гражданской практике начинается с печального эпизода. 16 сентября 1983 г. советские истребители сбили над территорией СССР самолет, принадлежавший Корейским авиалиниям и выполняющий рейс 007.

До сих пор нет единого объяснения причинам этого инцидента.

Советский Союз заявил, что это провокация американских военных, которые использовали вторжение гражданского самолета на советскую территорию для слежения за работой системы противовоздушной обороны. Американская сторона, напротив, утверждала и продолжает утверждать, что самолет сбился с курса из-за неисправности бортового навигационного оборудования. Скорее всего, истина где-то посередине, и самолет действительно сбился с курса, а самолеты-шпионы, регулярно совершавшие тогда полеты вдоль советских границ, сполна использовали представившуюся возможность.

Как бы то ни было, но сразу после этого инцидента президент Рейган заявил, что система глобального позиционирования, принадлежащая Соединенным Штатам, будет сделана доступной для международного гражданского использования сразу же, как только станет полностью работоспособной. На десятой Конференции по аэронавигации, состоявшейся 5 сентября 1991 г. было объявлено, что начиная с 1993 г. система глобального позиционирования будет доступна на уровне стандартной точности, как бесплатная, непрерывная и всемирная, как минимум ближайшие 10 лет. Впоследствии этот срок распространили, по словам правительственных чиновников, "на все обозримое будущее". Как было уже сказано ранее, в 2000 г. был отменен режим избирательного доступа, после чего точность позиционирования гражданских объектов выросла в десять раз.

Внутри Соединенных Штатов гражданское использование GPS началось значительно раньше. Первым из рынков, который был поддержан правительством, стала геодезия. Еще в середине 1980-х годов приемники GPS стали применяться для государственной геодезической съемки. Несмотря на то, что спутников было мало и сервис был не всегда доступен, это не мешало проведению геодезических измерений, которые не требовали навигации в режиме реального времени. Задачи, которые требовали недель и месяцев при традиционной геодезии, с применением GPS решались за несколько дней. Взрыв спроса на рынке профессионального геодезического оборудования и связанная с ним возможность заработать огромные деньги, привлекли внимание крупных корпораций к разработке все новых приложений для гражданского применения GPS.

Следующим, вполне логичным шагом, стало применение GPS в авиации. Для этого в 1992 г. был разработан стандарт TSO C129 (Technical Standard Order C129), в котором описыва-лись требования к приемникам. Широко известная ныне компания Trimble Navigation первой прошла процедуру сертификации на соответствие стандарту C129 и в 1995 г. подписала с компанией Honeywell договор о совместных разработках оборудования GPS для коммерческого, космического и военного применения.

Правительственный контроль за экспортом оборудования GPS существенно снижал рынок сбыта. Вплоть до 1991 г. большая часть пользовательского оборудования GPS продавалась по индивидуальным лицензиям, выдаваемым Бюро по экспортным операциям. Начиная с 1 сентября 1991 г. ограничения были существенно пересмотрены и гражданское оборудование GPS, включая навигационные приемники, телекоммуникационное оборудование и приемные модули было допущено к свободному экспорту. Военные приемники, специальные антенны, шифрующие/дешифрующие блоки и некоторые другие устройства по прежнему запрещены для экспорта.

По иронии судьбы, война в Персидском заливе значительно способствовала развитию гражданского рынка оборудования GPS. Военная доктрина США к этому моменту уже была переориентирована на ведение высокотехнологичных боевых действий. В идеале, каждое механизированное боевое средство и каждый солдат должны были иметь приемник GPS. Но когда началась операция "Буря в пустыне", оказалось, что у Министерства обороны США чрезвычайно мало приемников GPS военного назначения. Правительство было вынужденно срочно приобрести тысячи гражданских приемников, инвестируя в компании-производители миллионы долларов. Большинство приемников было приобретено у компании Trimble Navigation (10 000 приемников) и Magellan Systems (3 000). В результате более 90 процентов приемников GPS, использованных в операции, были гражданского назначения. Чтобы обеспечить необходимую точность в военных условиях, правительству пришлось отключить режим избирательного доступа и обычные гражданские пользователи всего мира смогли в это время впервые испробовать достоинства точного позиционирования.