Еще несколько лет назад человек, идущий по лесу, запросто мог потерять ориентацию на местности и попасть в беду. Школьные знания по методам ориентирования, например по положению солнца на небе, мху на коре деревьев или складкам местности, зачастую не давали должного эффекта. Появление в широкой продаже приемников сигналов GPS в корне изменило ситуацию. Устройство, внешне напоминающее мобильный телефон, стоимостью чуть более $100 в считанные секунды отображает на ЖК-дисплее координаты местоположения пользователя на поверхности земли. Более «продвинутые» и дорогие модели оказались способными предоставить всю необходимую информацию на цветной электронной карте. Одного взгляда на экран достаточно, чтобы понять, что вы уже преодолели перевал «Первое седло» великолепного кисловодского парка и бойко движетесь ко «Второму», или не потеряться в однообразии жилых кварталов образца восьмидесятых годов прошлого века.

Трудно переоценить пользу от такого прибора для автомобилиста. Жидкокристаллический дисплей с легкостью заменит атлас автомобильных дорог или карту города: теперь не придется, удерживая одной рукой баранку, водить пальцем другой по замусоленной бумажной карте, чтобы понять, где же ты находишься. Яркая светящаяся точка на экране подскажет - в реальном масштабе времени и с необходимым уровнем детализации картографической информации, - по какой улице или вблизи какого дома ваш автомобиль только что проехал.

Человек быстро привыкает к хорошему, и удобства, повышающие безопасность и свободу передвижения, навсегда входят в его жизнь. Однако многие из нас смутно представляют, как работает подобное устройство. Цель этой статьи в том и состоит, чтобы помочь восполнить пробелы в данной области специальных знаний.

Немного истории

Проблема определения своего местоположения на поверхности земли актуальна для человечества уже не одну тысячу лет. Предки современного человека достигли самых удаленных точек почти всех континентов, заселили лежащие посреди океанов острова, преодолели крупнейшие пустыни и уходящие в небо горные вершины. Но как они ориентировались на бесконечных просторах планеты? Первое, что приходит в голову, -использование естественных ориентиров: солнца, луны, звезд. Современный городской (да и сельский) житель растерял практически все знания об окружающем мире, накопленные тысячами поколений предков, и вот почему.

Как-то в журнале «Вокруг света» мне встретилась статья о древних полинезийских мореходах и методах их ориентирования. Перед морским путешественником стояла задача преодолеть 300 км по океану, чтобы попасть в ту или иную часть огромного архипелага, состоящего из тысячи похожих друг на друга островов. Из навигационного вооружения на его судне не было ничего, а Полярная звезда в Южном полушарии не видна…

Оказалось, что ночью абориген наблюдал, как те или иные звезды закатываются в море за кормой его катамарана, а при свете солнца уверенно определял направление волн, подгоняемых дуновением вполне конкретного пассата, рожденного за тысячи миль от суденышка. Где-то на полпути до цели по мере приближения к острову начинал изучать изменение свечения дна океана, а за 50 км - пробовал на вкус морскую воду. В результате применения таких несложных приемов моряк в назначенное время оказывался у цели путешествия, успешно решив задачу поиска иголки (острова) в стоге сена (среди тысячи островов). При этом в поле его зрения отсутствовали такие ориентиры, как береговая линия или другие острова…

Примитивные методы ориентирования в море

На самом деле не только мы, дети XXI века, но и жители городов древней Месопотамии не обладали твердыми знаниями и навыками ориентирования в море. Однако задача преодоления водных преград постоянно требовала от них активных действий. Если при форсировании реки заблудиться было трудно: оба берега постоянно в зоне видимости и можно ориентироваться по складкам местности на обоих берегах (из-за вращения Земли, вернее, из-за кориолисова ускорения один берег всегда несколько выше другого) - то в открытом море потеряться проще простого.

В поисках сырья и рынков сбыта жители междуречья устремились в океан. Перемещаясь от известного побережья к неизвестному, шумерские мореходы запоминали встречающиеся им визуальные образы, в частности особенности строения береговой черты, и расширяли свои познания о прибрежной ойкумене. Подобный метод в XV веке применили португальцы, проложившие за 100 лет дорогу вдоль побережья Африки в богатую товарами Индию. Конечную точку каждого своего плавания они отмечали на берегу каменным столбом - падраном. Каждая последующая экспедиция должна была пройти дальше предшествующей. Соревнование со столбами-падранами продолжалось до тех пор, пока Васко да Гама не обогнул мыс Игольный и не повернул свои корабли на север к столь долгожданной Индии.

Естественно, ориентироваться по береговым знакам, имеющим определенную форму, цвет, а зачастую и надписи, намного легче, чем пытаться различить между собой похожие как близнецы остроконечные вершины прибрежных скал или не менее схожие по своим очертаниям приветливые бухты. Приближенно (на глаз) определив дистанцию и направление по специальным ориентирам на берегу, мореплаватель мог достаточно точно сказать, в какой точке своего путешествия он находится.

Однако подобный метод годился лишь при каботажном (прибрежном) плавании. Но финикийцев оно уже не могло удовлетворять, так как кратчайшее расстояние между двумя торговыми точками зачастую разделяло Средиземное море, а в торговле, как известно, время - деньги. Вероятно, именно финикийцы первыми пустились в дальнее плавание, сознательно потеряв из виду берег. Новые задачи потребовали и новых средств ориентирования в открытом море. В Северном полушарии мореплавателям очень пригодилась Полярная звезда, расположенная над осью вращения Земли и потому обладающая рядом полезных свойств, а именно: - с высокой точностью (до 1 град) указывает направление на север; широта места, с которого ведется наблюдение, равна высоте Полярной звезды над горизонтом. Собственно, зная направление и определяя даже примитивными способами скорость судна, можно рассчитать с приемлемой погрешностью, в какой точке маршрута находится корабль в тот или иной период плавания.

Однако в северных морях в осенне-зимний период чистое небо - явление достаточно редкое, поэтому изобретенный китайцами магнитный компас (первоначально его устанавливали на сухопутные повозки, передвигаясь по лишенной ориентиров бескрайней степи) весьма пригодился викингам и предопределил заселение ими Исландии, Гренландии и, кратковременно, Северной Америки.

С развитием астрономии, математики и механики люди стали применять получаемые знания для наблюдения за поведением небесных светил. Идея оказалась исключительно простой: для ориентации на поверхности земли достаточно было измерить высоту двух светил (например, звезд), разнесенных по азимуту на 90 градусов. Одинаковая высота звезды могла быть зафиксирована наблюдателем, находящимся на окружности - основании конуса, в верхушке которого и располагалась звезда. Окружности - основания конусов двух звезд - пересекались на земной поверхности в двух точках, разнесенных на тысячи километров друг от друга. Следовательно, для высокоточного определения местоположения наблюдателя на поверхности земли требовалось всего-то - знать с высокой точностью высоту светил в момент измерений и время самого измерения. Появление высокоточных астрономических таблиц, высокоточного измерителя углов - теодолита (позднее - секстанта) и часов с постоянным ходом - хронометра позволило окончательно решить поставленную задачу. Погрешность измерений координат места по светилам не превышала единиц километров.

Применение радиосигналов для определения положения объектов на земле

Понятно, что в XX веке, в условиях значительных скоростей и интенсивного судоходства, отягощенного ведением боевых действий на море, погрешность в десятки километров не могла удовлетворять судоводителей, и в 1943 году на побережье США появляется первая радионавигационная система (РНС) Лоран - А (Loran-A). Принцип ее работы был достаточно прост. Береговые передающие станции излучали радиосигнал в виде пачки импульсов через строго определенные промежутки времени; на судне эти сигналы принимали и путем несложных манипуляций с временем прихода сигналов определяли с погрешностью в несколько километров разность расстояний до двух или более передающих станций (пересечение гипербол), что позволяло судить о местоположении корабля в море.

Со временем точность определения местоположения объектов на земной поверхности с помощью РНС выросла до сотен, а вскоре и единиц метров, однако РНС имели один весьма существенный недостаток - ограниченную дальность действия. Нет, конечно, были созданы цепочки радионавигационных систем, зоной действия которых было практически все Северное полушарие (СССР - РСДН-20) или земной шар (США - «Омега»). Однако сигналы РНС излучали на СДВ-частотах, что негативно отражалось на точности определения положения судов в море, да и содержание таких систем оказалось достаточно дорогим удовольствием. Выходом из создавшегося положения стало размещение излучающих станций в космосе.

Низкоорбитные спутниковые навигационные системы (СНС)

Проблема использования для целей навигации подвижных ориентиров, вынесенных в космическое пространство, приобрела практическое решение после запуска 4 октября 1957 года первого в мире советского искусственного спутника Земли (ИСЗ).

СНС Transit («Транзит») начала разрабатываться уже в 1958 году в США.В 1959 году на орбиту выведен первый навигационный искусственный спутник Земли, а в 1964 году вступила в эксплуатацию система для обеспечения американских атомных ракетных подводных лодок «Поларис». Для коммерческой эксплуатации СНС «Transit» была предоставлена в 1967 году, причем количество гражданских пользователей вскоре существенно превысило число военных. К концу 1975 года на круговых околоземных орбитах (высотой около 1000 км) находилось шесть навигационных космических аппаратов (КА), и на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из них рассчитывались координаты наблюдателя. Масса ИСЗ составляла 56 кг. Спутник излучал сигнал на двух частотах - 150 и 400 МГц, среднеквадратическая погрешность (СКП) определения места объекта на земной поверхности составила 100 м. В 2000 году система была выведена из эксплуатации.

СНС «Цикада» - эта российская система ведет свое летосчисление с 1967 года, когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник «Космос-192». Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83 градуса и равномерным распределением плоскостей орбиты вдоль экватора. Система позволяла наблюдателю каждые 1,5-2 часа определять координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 10 мин. С течением времени в результате модернизации системы СКП определения места объекта достигла 80-100 м. «Цикада» также использовала доплеровский сдвиг частоты сигнала передатчика для определения координат места. Позже космические аппараты этой системы были дооснащены аппаратурой для обнаружения терпящих бедствие объектов, оборудованных радиобуями, излучающими специальные сигналы. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Для определения координат кораблей ВМФ СССР использовалась низкоорбитная спутниковая навигационная система «Цикада-М», обладающая характеристиками, близкими к системе «Цикада».

Таким образом, со времен средневековых мореходов способ определения координат объекта на поверхности Земли принципиально не изменился, а лишь значительно облегчился благодаря широкому применению вычислительных устройств и чувствительной приемной аппаратуры. Для решения задачи определения координат по величине доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого ИСЗ, приемная аппаратура рассчитывала скорость КА, находящегося на высоте 1000 км. Кроме того, необходимо было знать положение аппарата на орбите (эту так называемую «эфемеридную информацию» КА «сбрасывал» потребителю) и иметь на КА и в приемной аппаратуре высокостабильный генератор частоты.

Принципиально измерять расстояния можно было бы одновременно до двух ИСЗ или последовательно во времени до одного и того же спутника. На практике измерялась разность расстояний до одного и того же ИСЗ через 20-секундные интервалы времени. Поэтому в состав спутниковой навигационной системы входил наземный комплекс управления (со средствами измерения и передачи на КА данных о его положении на орбите - «эфемеридной информации»).

Среднеорбитные спутниковые навигационные системы СНС GPS.

С разработкой в 1960 году атомных часов стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков кодированных сигналов. В 1964 году ВВС США начали разработку и испытания возможностей использования для местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми кодами. В 1973 году программы ВВС были объединены в общую технологическую программу «Навстар-GPS». Но полностью система оказалась развернутой только в 1995 году. Сегодня в составе GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования) находится более 30 искусственных спутников Земли. Около 100 компаний производят 600 типов приемной аппаратуры, которая используется в самых различных отраслях человеческой деятельности: от авиации и транспорта до строительства и земледелия. Мировой рынок продаж продукции, связанной с системой GPS, составляет около $20 млрд.

GPS предназначена для высокоточного определения трех координат места, составляющих векторы скорости и времени различных подвижных объектов. США предоставляют систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Космический сегмент образован орбитальной группировкой из 31 космического аппарата, которые находятся на 6 круговых орбитах высотой около 20 тыс. км. Период обращения космических аппаратов - 12 часов.

СНС ГЛОНАСС

Летные испытания среднеорбитальной отечественной навигационной системы начались в октябре 1982 года запуском спутника «Космос 1413». В 1995 году было завершено развертывание СНС ГЛОНАСС до ее штатного состава - 24 космических аппаратов.

Систему ГЛОНАСС можно по праву назвать достоянием России, так как позволить себе что-либо подобное смогли только две страны мира - США и Россия. К сожалению, российские космические аппараты обладали меньшим временем функционирования на орбите, чем американские, поэтому в условиях слабого финансирования парк спутников системы ГЛОНАСС сократился до 10-12 единиц, притом, что минимально необходимое количество КА на орбите для надежного определения места объектов составляет 18 КА. Дело усугубляло отсутствие доступных широкому потребителю приемников российского производства. В результате США извлекали прибыль из аналогичной системы GPS, а Россия несла убытки. В последние годы ситуация начала меняться к лучшему: на орбиту выводятся российские КА с повышенным сроком службы (7-9 лет); до 2007 года принято решение довести космическую группировку до минимально необходимых 18 КА; налаживается у нас и производство приемной аппаратуры.

Основное назначение СНС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. То есть любой объект (корабль, самолет, автомобиль или просто пешеход) в любом месте приземного пространства в любой момент времени способен всего за несколько секунд определить параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости.

В ГЛОНАСС применяются КА на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью земли. Период обращения КА - 11 часов 15 минут. Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты КА атомных стандартов частоты в системе обеспечивается взаимная синхронизация радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой. На подвижном объекте принимаются сигналы не менее чем от четырех радиовидимых спутников и используется для измерения не менее четырех псевдодальностей и радиальных псевдоскоростей. Результаты измерений и «эфемеридная информация», принятая от каждого КА, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости, а также смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени КА.

Точность определения координат объектов

Принципиально точность определения координат объектов с помощью СНС GPS и ГЛОНАСС примерно одинакова. Сигналы в системе GPS излучаются на частоте 1227 МГц и 1575 МГц, а ГЛОНАСС - 1250 МГц и 1600 МГц и кодируются для организации так называемого «селективного (избирательного) доступа». Оба сигнала используют два кода. Первый из них в GPS называется «легко обнаруживаемый», а в ГЛОНАСС - «стандартной точности». Второй код в GPS называется «закрытый» (в ГЛОНАСС - «высокой точности») и предназначен для санкционированного использования.

Пытаясь сделать GPS безальтернативной спутниковой навигационной системой для пользователей всего мира, 1 мая 2000 года пресс-служба Белого дома опубликовала заявление о прекращении использования режима селективного доступа к национальной СНС GPS, однако власти США сохранили за собой право по своему усмотрению избирательно восстанавливать его на региональной основе. СКП определения координат объектов с помощью обеих СНС GPS и ГЛОНАСС находится в пределах 5-40 м, СКП измерения скорости - 0,04-0,2 узла, высоты - 8-60 м.

Понятно, что для решения некоторых задач подобная точность не может считаться удовлетворительной, поэтому был внедрен дифференциальный режим функционирования среднеорбитных СНС. Суть этого режима состоит в том, что погрешность определения места с помощью СНС может быть уменьшена до десятков сантиметров путем оперативного измерения и излучения специальных поправок, автоматически принимаемых и учитываемых в аппаратуре потребителя услуг СНС. Измерять поправки целесообразно на стационарных объектах, а расстояние и время доведения их до потребителя не должны превышать 500 км и 20 минут соответственно (из-за так называемого уровня пространственной и временной корреляции). Такими стационарными объектами оказались радиомаяки, расположенные на побережье морей и океанов. Начата установка подобной аппаратуры и в России. Движение по искусственному каналу, ведущему в Санкт-Петербургский порт, обеспечивает дифференциальный режим СНС, поправки к сигналам которой излучаются радиомаяком Шепелевский, расположенным на берегу Финского залива.

В результате применения дифференциального режима СНС появилась принципиальная возможность осуществлять управление любым транспортным средством (от самолета и автомобиля до корабля) оператором, находящимся вне этого средства.

Проект «Галилео»

Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной СНС «Галилео», опирающейся на свои собственные спутники. Предполагается, что она должна быть:
независимой от GPS, но взаимодействующей с нею;
управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный или частичный контроль над этой системой);
более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы;
рентабельной;
открытой для участия других партнеров, в частности России (в последнее время наше участие в проекте не приветствуется).

Запуск первого КА состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы ожидается в 2008 году. По оценке специалистов, стоимость работ по программе «Галилео» до 2008 года составит $2,5-3 млрд, а ежегодная окупаемость после 2008 года - $150-210 млн.

Планируется, что «Галилео» будет передавать один общедоступный сигнал OAS (Open Access Service - служба открытого доступа) и один или два сигнала с контролируемым доступом CAS (Controlled Access Service - служба контролируемого доступа). Сигнал OAS должен быть эквивалентен GPS и обеспечивать точность порядка 10 м. Эта информация останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS. Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений.

В CAS, в свою очередь, возможны два уровня. CAS-1 будет открыт за плату всем желающим, в то время как CAS-2 станет доступен только правительственным потребителям. Предполагается, что система обеспечит определение места с точностью 3-4 м.