XX століття подарувало безліч винаходів, які назавжди змінили наш спосіб життя. Телебачення, комп’ютери, Інтернет і мобільні телефони. Але є ще одна технологія, без якої сучасне суспільство не зможе функціонувати у звичному режимі. Йдеться про системи глобального супутникового позиціонування.
Як дізнатися, де ми перебуваємо
Протягом більшої частини людської історії визначення поточного місцеперебування залишалося вельми нетривіальним завданням. Для його розв’язання потрібно отримати два значення: широти й довготи. З широтою було простіше. У північній півкулі досить виміряти кут між горизонтом і Полярною зіркою. Він буде дорівнювати географічній широті місця спостереження.
Ситуація з довготою залишалася значно складнішою. Різні вчені й мандрівники пропонували кілька способів її визначення, але для їх реалізації потрібні складні астрономічні інструменти й обчислення. Простіший метод вимагав порівняння місцевого часу з точним у референсній точці (місці з уже відомими координатами), але відсутність надійних хронометрів унеможливлювала його практичне застосування. Лише у другій половині XVIII століття з’явилися досить точні механічні годинники, що дозволили знизити похибку під час вимірювання довготи до прийнятної величини.
Наступним важливим проривом став винахід радіо. Якщо навести антену на два рознесених радіомаяки, положення яких вже відоме, то за допомогою тріангуляції можна визначити поточне місце розташування. Тривалий час цей метод використовувався для визначення координат літаків і кораблів.
Після запуску в 1957 році першого радянського супутника група американських вчених спробувала отримати сигнал його радіопередавача. Провівши кілька спостережень, вони виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу збільшується при наближенні апарату до спостерігача і зменшується при його віддаленні. Врешті вчені зрозуміли, що якщо точно знати свої координати на Землі, то з радіосигналу можна виміряти положення та швидкість космічного апарата. І навпаки, знання точного положення супутника дозволяє визначити власну швидкість і координати.
З очевидних причин цією концепцією зацікавилися військові. Уже наприкінці 1950-х Пентагон приступив до створення першої супутникової навігаційної системи TRANSIT. Спочатку вона призначалася виключно для потреб флоту, але за кілька років її почали використовувати і для розв’язання деяких цивільних завдань. Похибка у визначенні положення стаціонарного об’єкта за допомогою TRANSIT становила всього 60 м, що на ті часи було досить непоганим показником.
У 1967 році американці провели важливий експеримент з перевірки надійності роботи атомних годин у космосі. Його успіх відкрив шлях до створення навігаційних апаратів наступного покоління, здатних забезпечити набагато більшу точність визначення положення. Проєкт отримав назву Navstar, але пізніше у побуті за ним закріпилося звичне позначення GPS (Global Positioning System). Перший супутник системи був запущений 1978 року.
Розробники GPS навряд чи припускали, яке широке застосування знайде їхнє дітище. Замовником системи був Пентагон і, зрозуміло, генерали не планували ділитися новітньою розробкою зі звичайними громадянами. Все змінилося після того, як у вересні 1983 року радянський винищувач збив із курсу південнокорейський Boeing 747. У результаті президент США Рональд Рейган дозволив використання GPS для цивільних користувачів, щоб запобігти повторенню подібних інцидентів.
Справжнім зоряним часом для GPS стала «Буря в пустелі». Система повною мірою продемонструвала свою ефективність, істотно полегшивши життя американським військовим. Солдати, які поверталися додому, купували GPS-навігатори, щоб використовувати їх у побуті. Це стимулювало виробників створювати компактніші версії подібних пристроїв.
Варто зазначити, що спочатку існувало два сигнали GPS — точний і з погіршеними характеристиками. Перший призначався для американських військових, другий — для всіх інших користувачів. Але з часом компанії-оператори розшифрували алгоритм зменшення точності й навчилися його компенсувати. У результаті США повністю відмовилися від подібної практики у 2000 році.
Як GPS підтримує наше звичне життя
На перший погляд, GPS може здатися не такою вже й критично важливою технологією — особливо якщо ви не військовий, рятувальник, таксист або мандрівник. Більшість з нас, швидше за все, асоціює глобальну супутникову навігацію з пошуком маршрутів, відстеженням заторів і мобільними додатками для замовлення автомобілів: звичайно, це зручно, але не є необхідністю.
Проте таке враження оманливе. Насправді супутникова навігація вже давно застосовується у різних сферах діяльності — від туризму до логістики. Так, одним з найперспективніших напрямів використання GPS є підвищення ефективності сільського господарства. Супутникові трекери вельми успішно допомагають контролювати переміщення спецтехніки та витрати палива. Також їх можна застосовувати для визначення площ полів і оброблених ділянок, точного висівання насіння і внесення добрив, обліку робочого часу тощо.
Без супутникової навігації вже практично неможливо уявити роботу сучасних транспортних служб і сервісів. GPS дозволив їм повністю відмовитися від паперових карток. Супутники допомагають складати найоптимальніші маршрути перевезень, що дозволяє прискорити час транспортування вантажів і знизити витрати на паливо і обслуговування техніки.
GPS уможливив і появу численних модних сервісів з прокату транспорту — від велосипедів до електросамокатів. Використання супутникової навігації набуває популярності й у сфері активного відпочинку. Навігатори дозволяють краще спланувати шлях, фіксувати поворотні точки та навіть допомагають шукати перспективні місця для риболовлі.
Глобальне позиціонування активно використовується і в роботі служб екстреної допомоги. Завдяки встановленим на машинах трекерам, диспетчер може бачити поточне розташування всіх чергових бригад і відправити на виклик найближчу з них. У розробці вже перебувають системи, які зможуть повністю автоматизувати цей процес.
Також супутникова навігація може допомогти сім’ї у пошуку родича, який страждає на погану пам’ять. Персональні GPS трекери дозволяють контролювати переміщення людини і визначити перебування у разі, якщо вона загубиться чи забуде дорогу додому.
У цілому ж GPS вже настільки глибоко увійшов у наше життя, що раптом з якихось причин припинить роботу, це може занурити світ у справжній хаос. Наприклад, сучасні автоматизовані портові крани працюють, використовуючи супутниковий сигнал. Якщо він зникне, це унеможливить нормальне розвантаження судів, звичний ланцюг поставок перерветься, заводи не отримуватимуть сировину, магазини — потрібні товари.
Навіть більше, функції GPS уже давно не обмежуються лише простою геолокацією. Систему давно використовують для визначення точного часу. Навігаційні супутники оснащені атомними годинниками, робота яких повністю синхронізована. Якщо з якоїсь причини вони дадуть збій або вийдуть з ладу, це призведе до низки дуже неприємних наслідків. Найбільш очевидним з них стануть помилки у визначенні положення з розбіжністю у кілометри. Але справа не обмежиться лише цим.
GPS-синхронізація за часом застосовується у роботі стільникового зв’язку. Завдяки їй розпізнаються дзвінки. Без навігаційних супутників мобільні мережі просто вийдуть з ладу. Також виникнуть серйозні проблеми з банківськими транзакціями, біржовими торгами, цифровим телебаченням й іншими сервісами, що використовують GPS-синхронізацію. Відбуватимуться збоїв роботі громадського транспорту, енергосистем і різних міських служб. На деякий час повністю зупиниться авіасполучення. Кожен день без GPS буде приносити світовій економіці багатомільярдні збитки.
Навряд чи варто говорити, що за відсутності GPS боєздатність багатьох армій серйозно знизиться. Без глобальної навігації стануть даремними суперсучасні дрони, розумні бомби й значна частина наземної техніки.
Перспективи й альтернативи GPS
Не дивно, що багато країн так прагнуть обзавестися власними навігаційними системами. У XXI столітті у GPS з’явилась низка конкурентів: 2010-го завершилося розгортання російської системи ГЛОНАСС, з 2016 року запрацювала європейська навігаційна система Galileo,власний аналог GPS розробила і Піднебесна. Китайська система «Бейдоу» стала повністю функціональною у 2020 р.
Деякі держави, що не можуть дозволити собі власну глобальну навігаційну систему, працюють над створенням її регіональних версій. Згадаймо Індію. Нещодавно країна завершила розгортання супутникової системи IRNSS. Вона дозволяє визначати місцеперебування об’єктів на своїй території, суміжних держав, а також в акваторії Індійського океану.
Оригінальна GPS також не стоїть на місці. У грудні 2018 року США приступили до розгортання супутників наступного покоління (версія Block III), які поступово замінять старі апарати. Вони дозволять збільшити точність і надійність системи. За оцінками, вартість модернізації GPS перевищить 12 млрд доларів.
Та попри всі переваги, не можна сказати, що майбутнє супутникової навігації є абсолютно безхмарним. GPS — це своєрідна ахіллесова п’ята сучасної цивілізації. За будь-якого військового конфлікту між провідними державами навігаційні супутники, мабуть, стануть найпершою ціллю для атаки. Навряд чи варто зайве повторювати, до яких наслідків може призвести їх знищення.
Існуванню GPS можуть загрожувати не лише бойові дії. Не варто забувати й про Сонце. Час від часу воно виробляє потужні спалахи, що призводять до виникнення суперштормів. Найвідоміший спалах відбувся в 1859 році Найпотужніша геомагнітна буря, що увійшла в історію як подія Каррінгтона, вивела з ладу телеграфні системи Європи й Північної Америки. На думку багатьох вчених, якби аналогічна ситуація повторилася сьогодні, вона цілком могла б призвести до повного краху навігаційних супутників.
Виникає резонне питання: чи є у людства якась альтернатива супутникової навігації? Експерти вже давно попереджають, що занадто сильне захоплення GPS може вилізти нам боком, і закликають землян мати запасні варіанти. Одним з них є система наземної радіонавігації eLoran. Вона може використовуватися як резервний метод для визначення координат повітряних і морських суден. Але, на превеликий жаль, eLoran не покриває всю планету. До того ж, її точності недостатньо, щоб перейняти всі функції GPS.
Ще один перспективний варіант — пульсарна навігація. Її суть полягає у визначенні координат за допомогою випромінювання пульсарів — нейтронних зірок, що утворилися у результаті спалахів наднових. Вони випускають імпульси в радіо-і рентгенівському діапазоні зі строгою періодичністю, що робить їх непоганими кандидатами на роль природних радіомаяків.
На жаль, пульсарна навігація також не може замінити GPS. Щоб отримати сигнал від пульсара, потрібно мати досить велику антену. Цю технологію можна було б застосовувати для визначення положення літаків і морських суден — не більше того.
Отже, на сьогодні немає повноцінної альтернативи супутниковій навігації. А це означає, що завжди існуватиме певний ризик, що робота системи буде порушена. Звичайно, нам не під силу Сонце,але, принаймні, людство може докласти всіх зусиль, щоб не допустити дій, які можуть поставити під загрозу роботу GPS.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтесь: https://t.me/ustmagazine
