Глобальное спутниковое позиционирование. Что такое GPS и как оно изменило мир

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Кирилл Размыслович

XX век принес множество изобретений, которые навсегда изменили наш образ жизни. Телевидение. Компьютеры. Интернет и мобильные телефоны. Но есть еще одна технология, про которую мы часто забываем, но без которой современное общество попросту не сможет функционировать в привычном режиме. Речь идет о системах глобального спутникового позиционирования.

Как узнать, где мы находимся

На протяжении большей части человеческой истории определение текущего местоположения оставалось весьма нетривиальной задачей. Для ее решения требовалось получить два значения: широту и долготу. С широтой было проще. В Северном полушарии достаточно измерить угол между горизонтом и Полярной звездой. После введения небольшой поправки, зависящей от календарной даты, получим географическую широту места наблюдения.

Ситуация с долготой оставалась куда более сложной. Различными учеными и путешественниками было предложено несколько способов ее определения, но для их реализации требовались сложные астрономические инструменты и вычисления. Более простой метод базировался на сравнении местного солнечного времени с точным временем в референсной точке (месте с уже известными координатами). Но отсутствие надежных хронометров делало невозможным его практическое применение. Лишь во второй половине XVIII века моряки обзавелись достаточно точными механическими часами, позволившими снизить погрешность при измерении долготы до приемлемой величины.

Часы Джона Харрисона – первый в истории хронометр приемлемой точности, решивший проблему определения долготы. Источник: Gear Patrol

Следующим важным прорывом стало изобретение радио. Если навести антенну на два разнесенных радиомаяка, положение которых уже известно, то при помощи триангуляции можно определить текущее местоположение. Долгое время этот метод использовался для определения координат самолетов и кораблей.

После запуска в 1957 году первого советского искусственного спутника группа американских ученых попыталась получить сигнал его радиопередатчика. Проведя несколько наблюдений, они обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении аппарата к наблюдателю и уменьшается при его удалении. Ученые поняли, что если точно знать свои координаты на Земле, то по радиосигналу можно измерить положение и скорость космического аппарата. И наоборот: знание точного положения спутника позволяет определить собственную скорость и координаты.

По очевидным причинам этой концепцией заинтересовались военные. Уже в конце 1950-х Пентагон приступил к созданию первой спутниковой навигационной системы TRANSIT. Изначально она предназначалась исключительно для нужд флота, но через пару лет ее стали использовать и для решения некоторых гражданских задач. Погрешность в определении положения стационарного объекта при помощи этой системы составляла всего 60 м (около двух угловых секунд), что по тем временам было весьма неплохим показателем.

Спутник Timation, на котором в 1967 году испытывались атомные часы. Источник: NASA

В 1967 году американцы провели важный эксперимент по проверке надежности работы атомных часов в космосе. Его успех открыл дорогу к созданию навигационных аппаратов следующего поколения, способных обеспечить намного большую точность определения положения. Проект получил название Navstar, но позже в обиходе за ним закрепилось более привычное обозначение GPS (Global Positioning System). Первый спутник системы был запущен в 1978 году.

Разработчики GPS вряд ли предполагали, какое широкое применение ожидает их детище. Заказчиком системы был Пентагон и, разумеется, генералы не планировали делиться новейшей разработкой с обычными гражданами. Все изменилось после того, как в сентябре 1983 году советский истребитель уничтожил сбившийся с курса южнокорейский Boeing 747. В результате президент США Рональд Рейган разрешил использование GPS для гражданских пользователей, чтобы предотвратить повторение подобных инцидентов.

Настоящим звездным часом для GPS стала операция «Буря в пустыне». Система в полной мере продемонстрировала свою эффективность, существенно облегчив жизнь американским военным. Многие возвращавшиеся домой солдаты стали покупать GPS-навигаторы, чтобы использовать их в быту. Это стимулировало производителей создавать все более компактные версии подобных устройств.

Определение положения на карте с использованием координат, полученных датчиком GPS. Источник: U.S. Army

Стоит отметить, что изначально существовало два сигнала GPS — точный и с ухудшенными характеристиками. Первый предназначался для американских военных, второй — для всех остальных пользователей. Но со временем компании-операторы расшифровали алгоритм уменьшения точности и научились его компенсировать. В результате в 2000 году США полностью отказались от подобной практики.

Как GPS поддерживает нашу привычную жизнь

На первый взгляд GPS может показаться не такой уж критически важной технологией — особенно если вы не военный, спасатель, таксист или путешественник. Большинство из нас, скорее всего, ассоциирует глобальную спутниковую навигацию с поиском маршрутов, отслеживанием пробок и мобильными приложениями для заказа автомобилей: оно, конечно, удобно, но при необходимости без этого вполне можно прожить.

Однако такое впечатление обманчиво. На самом деле спутниковая навигация уже давно и с успехом применяется во множестве зачастую совершенно не пересекающихся сфер деятельности — от туризма до логистики. В частности, одним из наиболее перспективных направлений использования GPS является повышение эффективности сельского хозяйства. Спутниковые трекеры весьма успешно помогают контролировать перемещение спецтехники и расход топлива. Также их можно применять для определения площадей полей и обработанных участков, точного внесения семян и удобрений, учета рабочего времени и т.д.

Источник: scitechdaily.com

Без спутниковой навигации уже практически невозможно представить себе работу современных транспортных служб и сервисов. GPS позволила им полностью отказаться от бумажных карт. Спутники помогают составлять наиболее оптимальные маршруты перевозок, что позволяет ускорить время транспортировки грузов, снизить расходы на топливо и обслуживание техники.

GPS сделала возможным и появление многочисленных модных сервисов по городскому прокату различного транспорта — от велосипедов до электросамокатов. Использование спутниковой навигации набирает популярность и в сфере активного отдыха. Навигаторы позволяют лучше спланировать путь, фиксировать возвратные точки и даже помогают искать перспективные места для рыбалки.

Глобальное позиционирование активно используется и в работе служб экстренной помощи. Благодаря установленным на машинах трекерам диспетчер может видеть текущее расположение всех дежурных бригад и отправить на вызов ближайшую из них. В разработке уже находятся системы, которые смогут полностью автоматизировать данный процесс. Это позволит сократить до минимума время реагирования на срочные вызовы.

Также спутниковая навигация может прийти на помощь семьям, в которых есть пожилые люди, страдающие от проблем с памятью. Персональные GPS-трекеры позволяют контролировать перемещение родственника и найти его в том случае, если он потеряется или забудет дорогу домой.

Приемник GPS в легковом автомобиле. Источник: Everything For Dads

В целом же GPS уже настолько глубоко вошла в нашу жизнь, что если по каким-то причинам спутниковая навигация вдруг перестанет работать, это может погрузить мир в настоящий хаос. Всего один простой пример. Современные автоматизированные портовые краны используют в своей работе спутниковый сигнал. Если он исчезнет, это сделает невозможной нормальную разгрузку судов. В свою очередь, это полностью прервет всю привычную цепь поставок. Заводы не будут получать сырье, магазины — нужные товары.

Более того, функции GPS уже давно не ограничиваются лишь простой геолокаций. Систему давно используют в службе точного времени. Навигационные спутники оснащены атомными часами, работа которых полностью синхронизирована. Если по какой-то причине они дадут сбой или выйдут из строя, это приведет к целому ряду весьма неприятных последствий. Наиболее очевидным из них станут многокилометровые ошибки в определении положения. Но дело не ограничится лишь этим.

GPS-синхронизация по времени применяется в работе сотовой связи. Благодаря ей звонки не сливаются в единое целое. Без навигационных спутников многие мобильные сети попросту выйдут из строя. Также возникнут серьезные проблемы с банковскими транзакциями, биржевыми торгами, цифровым телевидением и другими сервисами, использующими такую синхронизацию. Будут отмечаться перебои в работе общественного транспорта, энергосистем и различных городских служб. На некоторое время полностью остановится авиасообщение. Современные самолеты не смогут совершать полеты в отсутствие спутникового сигнала. В результате авиалиниям придется вернуться к старым способам навигации, что потребует немалого времени. Каждый день без GPS будет приносить мировой экономике многомиллиардные убытки.

Вряд ли стоит говорить, что в отсутствие GPS боеспособность многих армий серьезно снизится. Без глобальной навигации станут полностью бесполезными суперсовременные дроны, умные бомбы и даже значительная часть наземной техники.

Перспективы и альтернативы GPS

После всего сказанного неудивительно, почему многие страны так стремятся обзавестись собственными навигационными системами. В XXI веке у GPS появился целый ряд конкурентов. В 2010 году завершилось развертывание российской системы ГЛОНАСС, а а 2016-м заработала европейская навигационная система Galileo. Собственным аналогом GPS обзавелась и Поднебесная: китайская система «Бэйдоу» стала полностью функциональной в 2020 году.

Спутник системы Galileo. Источник: ESA

А некоторые государства, которые не могут себе позволить собственную глобальную навигационную систему, работают над созданием ее региональных версий. В качестве примера можно привести Индию. Недавно эта страна завершила развертывание спутникового созвездия IRNSS, позволяющего определять местонахождение объектов на территории самой Индии, сопредельных государств, а также в акватории Индийского океана.

Оригинальная GPS также не стоит на месте. В декабре 2018 года США приступили к развертыванию спутников следующего поколения (версия Block III), которые постепенно заменят старые аппараты. Они позволят увеличить точность и надежность системы. По оценкам, стоимость ее модернизации превысит 12 млрд долларов.

Но, несмотря на все это, нельзя сказать, что будущее спутниковой навигации является абсолютно безоблачным. Важность GPS делает ее своеобразной ахиллесовой пятой современной цивилизации. В случае какого-либо военного конфликта между ведущими державами навигационные спутники наверняка станут одними из первоочередных целей для атаки. Вряд ли стоит еще раз повторять, к каким последствиям может привести их уничтожение.

Существованию GPS могут угрожать не только боевые действия. Не стоит забывать и про наше светило. Время от времени оно производит мощные вспышки, приводящие к возникновению суперштормов. Наиболее известная вспышка подобного масштаба произошла в 1859 году. Мощнейшая геомагнитная буря, вошедшая в историю как событие Кэррингтона, вызвала отказы телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. По мнению многих ученых, если бы аналогичная ситуация повторилась в наши дни, она вполне могла бы привести к полному выходу из строя навигационных спутников.

Возникает резонный вопрос: а есть у человечества какая-то альтернатива спутниковой навигации? Благо, многие эксперты уже давно предупреждают, что слишком большая привязка к спутникам может выйти нам боком, и призывают землян иметь под рукой запасные варианты. Одним из них является система наземной радионавигации eLoran. В случае, если GPS по каким-то причинам выйдет из строя или ее сигнал будет заблокирован, она может использоваться в качестве резервного метода для определения координат воздушных и морских судов. Но, к большому сожалению, eLoran не покрывает весь земной шар. К тому же ее точности все равно недостаточно, чтобы перенять все функции GPS.

189-метровая башня, построенная в 1947 году для радионавигационной системы LORAN в Кембриджском заливе (Канада). Источник: wikipedia.org

Еще один потенциально перспективный вариант — пульсарная навигация. Суть технологии заключается в определение координат при помощи излучения пульсаров — быстровращающихся нейтронных звезд, образовавшихся в результате вспышек сверхновых. Они испускают импульсы в рентгеновском и радиодиапазоне со строго определенной периодичностью, что делает их неплохими кандидатами на роль природных радиомаяков.

К сожалению, пульсарная навигация также не может претендовать на статус замены GPS. Чтобы получить сигнал от пульсара, требуется достаточно крупная антенна. Эту технологию в принципе можно было бы использовать для определения положения самолетов и морских судов, но пока — не более того.

Таким образом, на данный момент наша цивилизация не имеет полноценной альтернативы спутниковой навигации. Следовательно, всегда будет существовать определенный риск того, что работа системы может быть нарушена. Конечно, нам неподвластно Солнце. Но, по крайней мере, человечество должно приложить все усилия, чтобы не допустить действий, которые могут подвергнуть угрозе работу GPS.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine