Любому человеку всегда хочется знать, где он находится. Обычно местонахождение определяется относительно каких-нибудь ориентиров (например, "я нахожусь на улице Якуба Коласа, недалеко от метро"). Такая система хорошо подходит для условий, в которых есть возможность выбрать подходящий ориентир. А что делать, если вы находитесь в пустыне, в море или в лесу? Конечно, человечество еще в XVI веке придумало универсальный прибор для определения координат - всем известный секстант. Но в наше-то время с секстантом по лесу не погуляешь, не поймут.

Так что в век высоких технологий методы решения навигационных задач должны быть соответствующими - то есть высокотехнологичными. И действительно, сегодня около двух дюжин навигационных спутников крутится вокруг Земли, а портативный прибор, представляющий собой, по сути, небольшой компьютер, вычисляет по сигналам этих спутников свое (и ваше) местоположение с точностью до 10-30 метров. Навигация при этом облегчается настолько, что создается впечатление самодостаточности этой чудо-коробочки, названной GPS-приемником.

Глобальная космическая радионавигационная система (Global Positioning System - GPS), предназначенная для точного определения местоположения подвижных объектов в воздухе, на море и суше, создавалась в рамках американской программы "звездных войн". С конца 80-х годов, после войны в Персидском заливе, когда космические технологии были апробированы в боевой обстановке, спутниковая навигация стала активно продвигаться и на мировой гражданский рынок. Космическая радионавигация воплотила в себе новейшие достижения компьютерных и телекоммуникационных технологий. Симбиоз спутниковой системы позиционирования, современной радиосвязи и электронной картографии позволяет определять местоположение и скорость транспортного средства, вычислять расстояния, прокладывать маршруты и отслеживать их соблюдение, получать справки о картографических объектах. Области применения космической радионавигации самые разнообразные: от помощи путешественникам, автомобилистам и охотникам до профессиональных систем для геодезии, авиации, морского флота и геоинформационных систем. Сегодня в мире существуют лишь две системы космической навигации для высокоточного навигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, воздухе, на земле и воде: американская Navstar и отечественная ГЛОНАСС, причем, естественно, коммерческие перспективы первой гораздо более безоблачны. В состав каждой системы входят навигационные спутники (их срок жизни около 7 лет), наземный комплекс вспомогательной аппаратуры и приемники потребителей.

В основе спутниковой навигации лежит простая идея местоопределения по расстоянию до спутников. Зная координаты спутников и умея измерять расстояние до них, можно легко определить координаты наблюдателя. Для точного определения местоположения необходимо знать расстояние от пользователя до, минимум, трех навигационных спутников. Известно еще со школы, "расстояние есть скорость, умноженная на время движения". На этом принципе и работает навигационный приемник. Он определяет время прохождения радиосигнала между спутником и пользователем, а затем вычисляет расстояние до спутника. А для этого надо точно знать время выхода радиосигнала и время его получения. Для решения этой задачи была придумана одна хитрость: на спутнике и в приемнике генерируется одна и та же кодовая последовательность. После чего полученная приемником последовательность сравнивается с такой же последовательностью, но находящейся в приемнике. В результате после наложения этих последовательностей вычисляется время рассогласования прихода кода между спутником и приемником, которое и является временем прохождения радиосигнала. Однако погрешность в определении этого времени в одну сотую секунды даст ошибку в 3000 км. Чтобы этого не произошло, на спутнике устанавливают атомные часы стоимостью порядка нескольких сотен тысяч долларов. На спутнике такое удовольствие еще держать можно, а вот в приемнике - пожалуй, нет. Так что приемник должен определять расстояние до четырех спутников, а затем методом временного сдвига (постоянного сравнения полученных результатов между собой) вычислить свои точные координаты. Кроме того, местоположение спутников также должно быть точно определено. Для этого, во-первых, спутники запускают на высокие орбиты (до 20000 км), и, во-вторых, сведения о местоположении спутника передаются вместе с кодовой последовательностью. Кроме определения координат, GPS-приемник может также определять по измерению доплеровского сдвига частоты несущей волны вектор и величину скорости перемещения наблюдателя.

Навигационные сигналы в современных GPS-системах излучаются на двух частотах - 1575,42 МГц и 1227,6 МГц. На 1227,6 МГц излучаются сигналы с военным кодом P(Y) с высокоточной информацией (Precision-точный, или Protected-защищенный) и защищенным от имитационных помех. Р-код представляет собой последовательность псевдослучайных бистабильных манипуляций фазы несущей частоты с частотой следования, равной 10,23 МГц, и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируется им в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На 1575,42 МГц излучаются сигналы и с военным кодом P(Y), и с общедоступным гражданским кодом, который часто называют кодом свободного доступа. Сравнение времени прихода сигналов на обоих частотах позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу, что значительно повышает точность измерений навигационных данных.

Прием на частоте 1575,42 МГц с гражданским кодом не позволяет определить ошибки, вносимые ионосферой. Структура гражданского кода обеспечивает худшие характеристики работы навигационной установки. Так, если в военном режиме с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают 22-23 метра, высоты - 27-28 метров и времени - 0,09 мкс, то в гражданском они увеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс. Среднеквадратическая ошибка определения долготы и широты в военном режиме составляет не более 8 метров, а в гражданском - не более 40 метров. Для повышения точности гражданской GPS на поверхности Земли в различных районах устанавливают дополнительные корректирующие станции, уменьшающие ошибку определения до 10 метров. Кстати, министерство обороны США разрешило в мае этого года для определения местоположения использовать военную частоту и принцип кодовой последовательности.

Несмотря на высокие характеристики GPS-приемников, их работоспособность очень легко нарушить, что было успешно продемонстрировано в ходе войны в Югославии, когда американские "Томагавки" с установленным GPS-приемником летели куда угодно, но только не в цель. Для этого используется радиопередатчик с несущей волной, близкой по длине к несущей волне GPS-спутника (1575,42 МГц или 1227,6 МГц). При наличии в пространстве двух близких по частоте несущих возникают биения, частота которых находится между излучаемыми частотами и которые сбивают временную настройку GPS-приемника на спутники.

Еще одна важная особенность GPS-приемника - возможность подключения к другим электронным приборам. Специальные стационарные приемники, используемые в морской навигации, подключаются прямо к бортовому компьютеру, что позволяет навигационному оборудованию судна непосредственно из приемника получать информацию о местоположении судна, курсе, скорости, пройденном пути. Вообще в мире существует около 150 компаний, выпускающих GPS-приемники различной разновидности и назначения. Они могут быть совсем небольшими, размером с сотовый телефон, и стационарными, размещающимися на борту воздушных и морских лайнеров. Но об этом - в следующем номере...

Дмитрий ЩУКИН,
shchukin@tut.by