Сейчас GPS (Global Positioning System) аппаратурой никого не удивишь, ведь она перестала быть секретной еще в начале девяностых, и технологии на ее основе теперь широко применяются в самых различных областях человеческой деятельности. Яркая иллюстрация этому - ваша Windows, в списке возможного оборудования которой, начиная с версии девяносто пятого года, появилась возможность установки платы GPS-приемника.

Основная функция этого устройства - определение собственного местоположения при помощи спутниковых сигналов. Так как же это все-таки происходит? Теоретически - очень просто, а на самом деле - путем использования невероятно сложных технологий.

Немного истории и... теории

В инженерной геодезии существует задача определения своих координат по ориентирам, местоположение которых уже известно. В случае использования GPS-технологии это искусственные спутники земли, пролетающие над ней на высоте порядка двадцати тысяч километров. Они двигаются по фиксированным орбитам, которые периодически уточняются и при необходимости корректируются.

Сигналы с искусственных небесных тел и "ловят" GPS-приемники, чтобы затем использовать их как точки отсчета пеленгации местоположения. Далее приборы вычисляют время, которое затрачено сигналом на прохождение от спутника. А зная его, нетрудно подсчитать и расстояние до космического путешественника, чтобы потом, с учетом того, что орбиты всех спутников известны, точно определить свою широту и долготу в любом закоулке земного шара.

Правда, спутников, для того, чтобы измерение оказалось успешным, должно быть в доступном прибору участке неба сразу, как минимум, три. Тогда решить задачку вычисления координат GPS-приемнику не составит труда.

Чтобы иметь такую роскошь, как возможность постоянного контроля местоположения в любой точке планеты, нужно запустить в космос не менее двадцати четырех спутников. В реальности же их должно быть еще больше - на случай выхода одного или нескольких из строя. На сегодняшний день, в обеих существующих системах позиционирования, американской NAVSTAR и российской ГЛОНАСС, используются по тридцать два спутника. Они движутся по так называемым квазигеостационарным орбитам, чуть быстрее, чем сама планета. Каждые последующие сутки спутник проходит над одной и той же точкой на четыре минуты раньше. И все их, соответственно, можно наблюдать с помощью одной станции слежения хотя бы раз в сутки. Что, вкупе с остальным, и дает возможность определения местоположения в любой точке.

Разумеется, две сверхдержавы в годы холодной войны выпустили в космос, как в копеечку миллиарды кровно заработанных гражданами рублей и долларов не для того, чтобы мы с вами в двадцать первом веке, уйдя по грибы и взяв с собой GPS-приемничек, не боялись заблудиться. В первую очередь, эта техника должна была не дать "потеряться" баллистическим ракетам, нацеленным в сторону противника, подводным лодкам, идущим в глубинах морей и т.д. И лишь спустя годы военные, как они обычно делают, раскрыли свой секрет и позволили использовать его в мирных целях.

Но оба государства, в чьих руках находятся навигационные спутниковые системы, являются фактически монополистами, держащими в руках "рубильник", отключив который, можно лишить возможности точного и быстрого определения необходимых координат весь мир. Поэтому европейцы недавно объявили о создании своей собственной системы позиционирования, работа над которой уже в разгаре.

С началом перестройки пути обоих космических комплексов разошлись. Запад получил новые рынки для распространения своего навигационного оборудования. Российский ГЛОНАСС напротив, не вылезает из финансовых проблем. Российские приемники гражданского назначения широкого применения пока не нашли. Зато импортных, рассчитанных на работу с NAVSTARом, сейчас предостаточно.

Компоненты системы навигации

В основе системы космической навигации три основных компонента - космический, контрольный комплекс и приемники. Искусственные спутники, как мы уже говорили, располагаются таким образом, чтобы в любой части света приемник улавливал сигналы трех, четырех или более из них (на практике 6-8).

Каждый сателлит излучает радиосигналы, модулированные навигационным сообщением и кодовыми последовательностями. Один из кодов дает возможность максимально точного определения местоположения, но он защищен от несанкционированного использования, то бишь, засекречен. Второй - доступен всем, но годится для вычисления координат лишь с пониженной точностью.

Попробую пояснить свои слова. Военные тоже ведь не дураки. Раздавать направо и налево такое хорошее оружие, как возможность точного определения местонахождения объектов у себя в тылу, они не захотели. Поэтому для большинства приемников и, естественно, их владельцев вычисление координат происходит с ошибкой, понижающей точность до двадцати-тридцати метров. Доступ к коду более высокого уровня ограничен (ранее НАСА вообще искажало сигнал, что еще более снижало точность измерений).

На борту спутников находятся устройства, генерирующие частоты и точно определяющие время: грубо говоря, часы, а также передатчик и аппаратура для связи с наземным центром управления и вычислительные системы для хранения и обработки данных, двигатели для корректировки орбиты.

Основная же часть контрольного комплекса - наземная. В США она находится на военной базе ВВС Колорадо-Спрингс, в Калифорнии. Дополнительный контроль осуществляется пятью автоматическими станциями управления, разбросанными по всему миру. Впечатляет, не правда ли? Вот что значит высокие технологии на недостижимом для простого смертного уровне! Построить такую систему может только сильное государство, обладающее огромными финансовыми и техническими возможностями.

Третий компонент системы - собственно, приемник. У него внутри находятся антенный блок с усилителями и преобразователями сигнала и вычислительная часть с процессором. В зависимости от выполняемых задач, приемники бывают одно и двухчастотными, также они делятся по типу используемых сигналов и назначению.

Принципы измерений

Приемники обычно разделяются на три категории - бытовые, геодезические и навигационные. Разница состоит в точности измерений. Геодезические обеспечивают определение местоположения с погрешностью менее сантиметра. Бытовые - от двадцати до ста метров. Навигационные располагаются где-то посередине. Точность зависит от принципа обработки информации. Обычно она осуществляется при помощи одного приемника. Но погрешность в этом случае велика. Ведь, сколь бы не была мала ошибка в определении расстояния до спутника, в космическом масштабе она дает уже значительную величину. Поэтому и существует более точный, дифференциальный, режим определения местоположения. При этом используются уже два приемника, один из которых устанавливается неподвижно, в точку с известными координатами. Обработка информации сразу с двух устройств и обеспечивает повышенную точность замеров. Сейчас во многих городах мира уже работают подобные стационарные приемники, делающие дифференциальный режим доступным для большого числа пользователей GPS-аппаратуры.

Основной принцип измерения всех величин в GPS системе - сравнение параметров переданного сигнала с аналогичными эталонными, генерируемыми самим приемником. Это могут быть показания часов, частота или фаза сигнала. На их основе приемник измеряет дальность до спутников. При расчете учитываются аппаратные и другие ошибки, а также время задержки сигнала в тропосфере, ионосфере и т.д. Окончательное решение задачи определения трехмерных координат приемника сводится к решению системы уравнений, составленной по результатам измерений.

Несмотря на то, что создатели GPS учли практически все возможные ошибки, даже самые точные и современные приемники дают погрешности. Всего учесть просто невозможно. Но год от года техника совершенствуется. Сейчас уже есть устройства, способные определять свои координаты с высокой степенью точности в режиме реального времени. Они пригодны для установки на самолетах, броневиках для перевозки денег и ценностей, другой технике.

Существуют и разнообразные хитрости для работы в сложных условиях. К примеру, если измерения производятся в низине или котловане, либо одну сторону горизонта экранируют от радиосигнала здания, можно рассчитать время, когда над приемником будет проходить большее, чем обычно, количество спутников, и повысить точность результата.

На отечественной ниве

В Беларуси приборы для определения координат долгое время были под запретом. Слишком уж пугала возможность легко определять положение различных объектов соответствующие органы. Хотя, все на деле не так уж страшно. Для расчета необходимо использовать точную систему координат. А она является государственным секретом. Кроме того, существует разница между такой системой, применяемой в американском навигационном комплексе, и нашей, отечественной. Совокупность погрешностей, возникающих при внесении поправок и коррекции окончательных результатов, не дает возможности вести измерения со слишком уж высокой точностью.

Поэтому бытовые приемники у нас теперь можно использовать. Что же касается геодезического GPS-оборудования, то его ввоз ограничен, и оно подлежит регистрации в Госстандарте.

Делать GPS-приемники серийно у нас в стране, наверное, в ближайшие годы не сможет ни одно предприятие. Уж слишком наукоемкие технологии для этого требуются, не говоря о немалом количестве лицензий, которое придется покупать за "бугром".

Поэтому остается лишь приобретать то, что предлагает мировой рынок. Безусловный лидер производства GPS-техники гражданского назначения на нем - компания LEICA. В ассортименте продукции этого гиганта - весь спектр приемников, в том числе для геодезии, навигации и аэрофотосъемки. Разброс стоимости бытового и профессионального GPS-оборудования - от полутораста до нескольких десятков тысяч долларов, в зависимости от назначения и начинки.

Не за горами то время, когда в нашей стране найдут широкое применение навигационные GPS-приемники для спецтехники. По крайней мере, несколько крупных государственных концернов уже интересуются подобными зарубежными изделиями. Неплохой продукт, который может быть востребован отечественным рынком, - это противоугонные системы для дорогих автомобилей на основе GPS-оборудования. При их использовании найти угнанный автомобиль ничего не стоит.

Впрочем, это дело будущего, ибо у нашего государства и его граждан немало пока других, более насущных проблем. Поэтому сейчас GPS применяются лишь геодезистами, геологами и иногда строителями. А как события будут развиваться дальше, покажет будущее.

Эдуард ТРОШИН

Автор благодарит сотрудников РНТЦ "Экомир" за помощь в подготовке материала