Коли негідник Негоро підкладав під судновий компас "Пілігрима" залізний брусок, він точно знав, що складність навігаційних розрахунків не по плечу хоч і тямущому, але ще дуже молодому п'ятнадцятирічному хлопцю. Чи жарт, впоратися з секстантом, адже і у наш час його використання вимагає великих знань і навиків.
Цифрове століття високих технологій революціонізувало методи вирішення навігаційних завдань. Сьогодні дві дюжини невеликих супутників закутують всю Землю навігаційними сигналами, а портативний індикатор що є, по суті, невеликим спеціалізованим комп'ютером, обчислює по цих сигналах координати місця розташування з точністю до 10-30 метрів. Навігація при цьому полегшується настільки, що створюється враження самодостатності GPS приймача. Серед професійних "навігаторів" — моряків, льотчиків і мандрівників — вже зростає ціле покоління фахівців, що не уміють працювати з класичними навігаційними приладами.
Ніщо не зупиняє переможного ходу GPS. Приймачі нестримно зменшуються в розмірах: прилад з сірникова коробка вже можна купити всього за 150 доларів; навігаційні чіпи вбудовуються в години і мобільні телефони, стають складовою частиною автомобільних сигналізацій. А компанія Applied Solution наступного року має намір налагодити серійне виробництво чіпів, призначених для імплантації в тіло людини. Приймачі GPS знаходять вживання при рішенні найрізноманітніших завдань: геологи в реальному часі стежать за малопомітним переміщенням ділянок земної кори зоологи роблять ошийники з портативними індикаторами і радіопередавачами для вивчення міграції тварин, військові будують самонавідні ракети і бомби а експедиція Національного географічного суспільства США торік з сантиметровою точністю виміряла висоту Евересту.
GPS — глобальна система місце визначення (часто помилково називається Глобальною системою позиціювання). Складається з низькоорбітальних 24-х супутників, передавальних сигнали на частоті більше 1 ГГц і призначених для користувача приймачів, що визначають по цих сигналах свої координати. Для роботи GPS приймача необхідна пряма видимість небозводу (сигнал GPS супутників екранується металом, деякими пластиками, бетоном).
По радіосигналах супутників GPS приймачі користувачів стійко і точно визначають поточні координати місця розташування. Погрішності не перевищують десятків метрів. Цього цілком достатньо для вирішення завдань НАВІГАЦІЇ рухливих об'єктів (літаки, кораблі, космічні апарати, автомобілі і т.д.).
Нове поняття "Система місце визначення" — є істотно загальнішим, ніж "навігаційна система". Воно охоплює і надзвичайно важливі для людства проблеми і завдання ЗЕМЛЕМІРСТВА (геодезія картографія, планіметрія, геофізика, будівництво унікальних промислових споруд і доріг і так далі). Для цих цілей погрішності місце визначення не повинні перевищувати долею метра і навіть долею сантиметра. Спеціальні приймачі і методи обробки сигналів забезпечують цю точність.
Якщо ракети і супутники — це механічна основа системи, її кістки і м'язи, то радіотехнічні і обчислювальні мікроелектронні пристрої — це її мозок і нерви. Разом з теоретичними методами це інформаційна основа системи, без якої її існування неможливе. Плата приймача містить: високочастотний приймальний тракт, пристрої складною математичною обробки прийнятих з космосу сигналів, першокласний комп'ютер з великим швидкодією і значною пам'яттю, мікроелектронні схеми його сполучення з зовнішніми пристроями і інші складні елементи. Сама плата має шість шарів друкарського монтажу і забезпечує одночасний прийом і обробку сигналів до восьми супутників. Управляють цим ансамблем унікальні математичні алгоритми реалізовані у вигляді машинних програм. Не буде перебільшенням сказати, що GPS — дитя мікроелектроніки і обчислювальної техніки. Що в кожному зі своїх проявів GPS — одночасно і продукт і засіб сучасних високих технологій.
До 1991 року існували практичні обмеження на вживання GPS через відсутність в Росії розробок цієї техніки цивільного вживання. Зараз же супутникове місце визначення стає для нас новою "суспільною потребою", такою ж необхідною і доступною, який давно став телефонний зв'язок.
Більше 300 млн. чоловік в світі користуються системою GPS, з допомогою якої мандрівник може визначати свої координати, а пілот посадити літак в зоні з нульовою видимістю. У найближче десятиліття можливості глобальної системи позиціювання значно расширятся.
Можливості системи глобального позиціювання в найближчих 10 років стануть набагато ширше. Користувач зможе визначати свої координати точністю до метра. Можливості системи GPS розширюватимуться за рахунок модернізації, що має на увазі: введення додаткових каналів сигналу на супутнику, збільшення потужності сигналу і удосконалення системи його корекції, використання направлених антен, а також інтеграцію з телевізійними і телефонними стільниковими мережами.
Її новими можливостями в першу чергу зможуть скористатися військові, для яких вона і створювалася. Літаки військово-морських сил США зможуть приземлятися на палубу авіаносця в повній темноті. Система зможе відстежувати місцезнаходження повітряних судів на всьому протязі польоту. У найближчий час GPS допоможе контролювати рух автомобільного транспорту забезпечуючи безпеку дорожнього руху, вдосконалена система зможе бути застосована в електроенергетиці, в телекомунікаціях, при видобутку корисних копалин, картографії і навіть в сільському господарстві. Крім того, будь-який мандрівник зможе скористатися GPS на всій території земної кулі.
Створення глобальної системи позиціювання почалося в США у 1978 р. із запуску першого супутника Navstar. У той час міністерство оборони вирішило допомогти 40 тис. американським військовослужбовцям навчитися визначати свої координати на землі, у воді і повітрі. Лише у 80-х рр. картографи і геофізики дістали доступ до сигналів супутників, а цивільні особи стали користуватися системою з початку 90-х рр., коли на орбіті знаходилися 24 супутника системи GPS. Сьогодні близько 30 млн. чоловік використовують GPS навігацію завдяки якій капітани судів, водії автомобілів і любителі пригод визначають свої координати. У магазинах кожного місяця продається близько 200 тис. приймачів. У 2003 р. по всьому світу їх продано на $3,5 млрд., і, по прогнозах маркетингової фірми Frost@Sallivan, з 2010 р. щорічні показники можуть вирости до $10 млрд. (Цифри не включають доходи від підприємств, що працюють в галузі.) Більше 50% устаткування набувають приватних осіб, 40% — комерційні структури, і лише 8% — військові.
Америка не самотня, розвертаючи космічні навігаційні системи. В період "холодної війни" Росія розмістила на космічній орбіті супутники Glonass. Найближчим часом ця галузь нестримно розвиватиметься і GPS приймачами будуть обладнані як легкові автомобілі, так і мобільні телефони. Незабаром стартує європейський проект Galileo, який може виробити переділ ринку супутникової навігації.
Придбавши GPS приймач вартістю в $100, людина може розраховувати на відхилення в 5-10 м. Армійські прилади дозволяють визначати місцезнаходження з точністю до 5 м. Якщо ж GPS приймач отримує сигнал від наземної станції і проводить відповідну корекцію даних, його точність зростає до 0,5 м.
Аби зрозуміти, що нас чекає в майбутньому, давайте розберемося що ми маємо в своєму розпорядженні сьогодні. Супутники передають сигнали двох видів. Один з них несе інформацію про місцезнаходження супутника і час передачі сигналу. Він приймається стаціонарними наземними станціями, обробляється і вирушає на супутник, який передає його всім користувачам системи. Другий сигнал — код необхідний для визначення часу передачі сигналу. Творці системи називають його псевдовипадковим шумом.
Аби здолати відстань в 20 тис. км., сигналу вимагається час. Якщо користувач зможе за допомогою свого приймача, в який закладений код, визначити час його відправлення, то нескладно буде зафіксувати час його проходження і, помноживши отримані дані на швидкість поширення розрахувати відстань до супутника.
Якщо в GPS приймач встановити годинник, то, отримавши видалення від трьох супутників, користувач зможе визначити широту, довготу і висоту свого місцезнаходження. Сигнал, що йде від супутників, нагадує три сфери, пересічні в різний час в різних крапках. Для користувача що знаходиться на Землі, існує лише один момент їх зіткнення в даний проміжок часу. Для злагодженішої синхронізації сигналу на супутниках встановлений атомний годинник, що забезпечує точність ходу до однієї мільярдною. У більшості GPS приймачів вони можуть відставати на одну або більше секунд в день. Можна підрахувати, що помилка всього в одну секунду змінить відстань від супутника до користувача на 300 тис. км. Інженери називають процес виміру відстані між супутником і користувачем псевдо виміром. Річ у тому, що погрішність присутня і в сигналах від чотирьох супутників, в результаті чого ми отримуємо чотири рівняння з чотирма невідомими.
Сучасні приймачі GPS здатні враховувати доплерівський ефект в разі, якщо виміри проводяться в русі. При переміщенні приймача у бік поширення хвилі її довжина стає більше, а при зустрічному ході — менше. Кожен супутник нагадує швидкісний поїзд. Якщо він рухається на вас, то його гудок у міру наближення стає голоснішим, а якщо віддаляється, то сигнал втрачає потужність. Враховуючи даний ефект, можна отримати швидкість руху GPS приймача. Такий метод виміру швидкості дуже точний.
Таким чином, GPS приймачі визначають три координати і три вектори швидкості, а також виробляють синхронізацію часу через мережу. При цьому самі приймачі не передають сигналів в ефір. Незабаром GPS будуть обладнані стільникові телефони, що приведе до подорожчання останніх всього на $5.
Супутники GPS системи передають сигнал, що володіє класичною синусоїдальною формою, на звичайній радіочастоті. Зараз на мікрохвильовій частоті передаються два сигнали — L-1, L-2. Канал L-1 доступний для всіх. Вважається, що він призначений для цивільних користувачів, хоча і військові про нього не забувають. Канал L-2 призначений для військовослужбовців. Цивільні користувачі приймають на свої GPS приймачі цей канал, але внаслідок того, що вони не мають доступу до PRN-коду виникає помилка в позиціюванні. Лише дорогі приймачі дозволяють цивільним користувачам працювати в діапазоні L-2. Тому більшість з них приймає сигнал L-1, що дозволяє точно визначати координати від 5 до 10 м.
Складнощі при прийомі сигналу викликані головним чином тим що радіохвилі на своїй дорозі долають іоносферу Землі, яка представляє собою плазмова хмара, утворена Сонячним вітром. Її кордони тягнуться від 70 до 1300 км. над поверхнею Землі, і при проходженні через іоносферу радіосигнали ослабляються і спотворюються. У нічний час, коли іоносфера знаходиться в стані спокою, затримка передачі сигналу складає 1 м, а вдень коли активність плазми висока, більше 10 м.
Для того, щоб мінімізувати вплив іоносфери, використовують диференційований D-GPS. У такій схемі використовуються два приймачі: один мобільний, а другою знаходиться в крапці з відомими координатами. Дані що поступають з цих GPS, порівнюються і обробляються, після чого відбувається коректування свідчень мобільного приймача. Чим ближче вони знаходяться, тим точніше визначаються координати.
Починаючи з 2005 р. супутники передаватимуть додаткові сигнали, які допоможуть виключити перешкоди від іоносфери. По два сигнали додадуться до військових L-1 і L-2 і один — до цивільного L-1, а сигнали, що існують нині, не зазнають яких-небудь змін. Наступний етап вдосконалення системи почнеться в 2008 р. Супутники передаватимуть ще один цивільний сигнал L-5, який буде в 5 разів потужнішим, ніж зараз. Здвоєний сигнал дозволить мінімізувати вплив іоносфери. GPS приймачі майбутнього зможуть порівнювати спотворення двох сигналів, вносячи необхідні корективи в розрахунки.
Оператори, використовуючі приймачі D-GPS, також виявляться у виграші. Нагадаємо, що точність роботи D-GPS системи знижується у міру того, як збільшується відстань між фіксованим приймачем і мобільним GPS. Це пов'язано з тим що на приймачі потрапляють сигнали від супутників, минула через різні шари іоносфера. При роботі з двома сигналами мобільний GPS здатний оцінити вплив іоносфери, а дані від фіксованого приймача допоможуть звести до мінімуму останні погрішності які можуть складати від 30 до 50 див.
Аби отримати точність позиціювання в межах сантиметрів або навіть міліметрів, користувачі можуть скористатися D-GPS приймачами. Їх сучасні моделі, маючи зв'язок із стаціонарною станцією по радіоканалу передають відомості про своє місцезнаходження і отримують відкоректовані дані. Довжина хвилі, на якій ведеться передача сигналу з супутника, складає 19 див. Приймач може виміряти час здобуття сигналу з точністю до 1%. У абсолютному вираженні ця величина складе декілька міліметрів.
Для проведення точніших вимірів приймач повинен ідентифікувати хвилю сигналу з супутника. Сучасні GPS зіставляють сигнали від супутників по каналах L-1 і L-2. У системі GPS довжини хвиль відрізняються на 85 см, що дозволяє проводити виміри з точністю до 8 мм. Надійність такої системи виміру в сотні разів більша, ніж в систем, що працюють з PRN-кодами. Їх межа — 50 див. D-GPS приймачі, що працюють з одним каналом L-1, забезпечують точність виміру до 19 див. Дорогі моделі GPS мають можливість підвищити точність виміру зіставлення частот сигналів, що поступають по каналах L-1 і L-2. З початком передачі додаткових сигналів з супутників істотно зросте точність і надійність роботи GPS приймачів. Цивільні користувачі дістануть доступ до відкритої частини каналу L-2 і новому каналу L-5. У майбутньому GPS зможуть виробляти порівняння трьох пар каналів (L-1 з L-2 L-2 з L-5, L-2 з L-5L).
Які ще можливості відкриються перед користувачами GPS? Федеральне управління цивільної авіації США розробляє нові правила польотів з використанням системи GPS. Багато літаків вже оснащено подібними приймачами, але можливості їх використання ограниченны. Нове устаткування дозволить виробляти посадку при нульовій видимості. Проте для цього буде потрібно, що б, по-перше, в будь-якій ситуації пілот враховував, що свідчення приладів не завжди відповідають реальному місцезнаходженню літака і в екстрених випадках вносив поправки в режим польоту. (При посадці відхилення від заданої траєкторії не повинно перевищувати 10 м.) По-друге, авіаційні системи повинні мати дуже високу міру надійності.
Представники Федерального управління цивільної авіації США запропонували дві системи, засновані на базі D-GPS технології. У наземну частину комплексу входять приймально-передавальні антени, пов'язані з центром управління. У 2003 р. з'явилася мережа наземних станцій WAAS, яка дозволяє в режимі реального часу коректувати координати всіх користувачів GPS. (Над подібними системами працюють інженери Європи, Китаю Японії, Індії, Австралії і Бразилії.) В разі помилки WAAS протягом 7 секунд вносить корекцію в D-GPS користувача. Завдяки цьому при заході на посадку пілот може вести літак до висоти 100 м. У зоні аеропорту екіпаж переходить на режим пілотування з використанням наземного навігаційного устаткування.
З часом навігаційні комплекси LAAS, що працюють в короткохвильовому діапазоні, зможуть забезпечити приземлення при нульовій видимості з використанням каналу L-5. Військово-морські сили США розробляють для авіаносців систему точного наведення і посадки літака JPALS, в основі якою лежить принцип D-GPS системи, що працює з каналами L-1 і L-2. При заході на посадку і приземленні льотчик морської авіації повинен контролювати відстань до палуби авіаносця з точністю до 1 м, аби спеціальний крюк на корпусі літака зміг зачепити гальмівний канат. Випробування системи JPALS почнуться в 2006 р.
Учені і інженери вже працюють над створенням GPS системи третього покоління. Запуск нових супутників станеться не раніше 2012 р. За рахунок використання супутникового зв'язку і установки на них потужніших обчислювальних комплексів істотно расширятся u1074 можливості системи.
| Як вибрати ехолот В житті кожної рибалки, напевно, рано чи пізно настає момент, коли він замислюється про придбання ехолота. Я думаю, все погодяться, що він корисний скрізь і завжди окрім, можливо, випадків,... | Додатково 14 червня 1919 року Джон Олкок (JohnAlcock) і Артур Браун (ArthurBrown) на бомбардувальнику Vimy зробили перший в світі трансатлантичний переліт. Як на гріх, зв'язок з базою урвався, а навігаційне... |
| < Попередня | Глобальна система місце визначення | Наступна > |