По рукотворным звездам

Наука и жизнь
№25 (583)

Это случилось на прошлой неделе. Рейс Боинга 767 компании VPS, начавшийся в Лос-Анджелесе, близился к завершению. Уже можно было по пробивающемуся сквозь серую муть жутковатому оранжевому свечению различить наглухо укрытый покрывалом тумана Международный аэропорт в Луисвилле. А рядом в этом густом молоке в опасной близости друг к другу двигалась вереница крылатых машин, тоже прибывших с Западного побережья. 
Можно только догадываться, какими словами выражали свои чувства пилоты. Не волновался один командир Боинга капитан UPS Джеймс Хани, который, в отличие от своих коллег, буквально взмокших от напряжения, ясно видел на экране приборной панели сложившуюся вокруг него обстановку. Спутниковая навигационная система GPS уверенно сработала в сложных метеоусловиях, позволив тяжелогруженому 767-му избежать столкновения и благополучно приземлиться...
Давно ушли в прошлое те времена, когда моряки, летчики, “профессиональные” путешественники вроде геологов и просто люди, ведущие активный образ жизни, - от туристов и любителей рыбалки до обычных автолюбителей - ориентировались по Солнцу и звездам. Оперативность, точность, возможность немедленно и при любой погоде определять свое местонахождение в любой точке земного шара – вот основные требования современной навигации. И выполнить все их одновременно оказались способными только спутники. Летающие вокруг нашей планеты по известным орбитам и дающие знать о себе с помощью радио, они могут служить отличными ориентирами. Если же таких космических аппаратов много, какие-то из них обязательно окажутся в нужный момент над вами, где бы вы ни находились.
Как это не раз бывало в истории, над колыбелью этой технической новинки, без которой сегодня уже невозможно представить современный мир, стояла повивальная бабка в военной форме. А датой рождения GPS - Global Positioning System считается февраль 1978 года, когда был выведен на орбиту первый из спутников NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). Все же они собрались в космосе только к декабрю 1993 года.
Как же работает эта система? Если не вдаваться в технические детали, все выглядит достаточно просто. GPS-радиоприемник опрашивает группу спутников, находящихся в данный момент в его прямой видимости (для определения координат достаточно трех из них). Каждый спутник передает сигнал, который, образно говоря, означает следующее: “Я – спутник такой-то, нахожусь там-то, это сообщение было послано в такое-то время”. Конечно, это большое упрощение, но оно помогает понять суть дела.
Способ радиообмена между спутниками и GPS-приемником достаточно необычен. Дело в том, что все спутники вещают одновременно и на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, какой спутник он слышит в данный момент, бортовые передатчики называют себя, посылая в составе своего сигнала идентификационный код.
Так как положение спутников в пространстве известно – они сами непрерывно передают необходимые сведения об их орбитах - GPS-приемник по времени прохождения радиосигнала каждого из трех космических аппаратов определяет расстояния до них и измеряет скорости изменения этих расстояний.
GPS-приемник, который по сути представляет собой узкоспециализированный компьютер, строит из этих трех прямых несколько треугольников и методом триангуляции (от латинского triangulum – треугольник) определяет свои координаты на земной поверхности. Имея в видимости четыре спутника или более, а современные приемники, как правило, опрашивают до 12 рукотворных звезд, GPS может также определить и высоту своего расположения над уровнем моря.
Непрерывно отслеживая местоположение транспортного средства, на котором он установлен, приемник также может рассчитать скорость и направление его движения. Если же в программу компьютера заложены соответствующие карты, пользователь - водитель автомобиля или штурман авиалайнера, видит перед собой на экране нужный участок своего маршрута и получает подсказки, когда и куда следует повернуть.
В настоящее время точность определения координат любыми GPS-приемниками составляет несколько метров. Раньше она была намного ниже по той причине, что, не желая предоставлять в распоряжение военного противника или террористов возможности GPS Министерство обороны Соединенных Штатов ввело так называемый “избирательный доступ” в систему, преднамеренно понизив ее точность для гражданского использования.
В начале 80-х годов, когда стала очевидной возможность гражданского использования системы, президент Рональд Рейган заявил, что GPS будет доступна каждому – с тем только исключением, что наивысшая точность будет оставлена для военных. Однако с мая 2000 года эти ограничения были отменены, и теперь любой обладатель GPS-приемника может определить свои координаты практически с максимальной точностью.
Как уже говорилось, для того чтобы система функционировала, необходимо, чтобы в видимой полусфере находилось не менее трех спутников. В настоящее время GPS состоит из 24 спутников, равномерно распределенных на орбите. Все они летают на орбитах примерно в 20 тысячах километров над Землей, совершая один оборот за 12 часов. В каждой из шести плоскостей, наклоненных к экватору под углом 60 градусов, обращается по четыре спутника. Каждый из них весит почти тонну и с раскрытыми солнечными батареями имеет размер около 5 метров. Рассчитаны они на работу примерно в течение десяти лет, и по мере того как вырабатывают свой ресурс, их заменяют на орбите новыми.
Так как при определении координат существенное значение имеет точность часов, установленных на спутниках, каждый из них снабжен атомными часами, синхронизированными по времени со всеми остальными. Атомные часы - исключительно точный прибор, точность хода которого составляет около одной наносекунды! Причем на каждом спутнике установлены не одни такие часы, а несколько, это сделано для того, чтобы гарантировать правильность отсчета времени. Насколько это важно, можно судить по тому, что ошибка даже на одну сотую долю секунды влечет за собой погрешность измерения координат в тысячи километров.
Интересно, что многие ученые и исследователи используют GPS именно в качестве сверхточных часов. Это позволяет им, где бы они ни работали, измерять промежутки времени с точностью от микро- до наносекунд.
Министерство обороны постоянно отслеживает показания часов спутников и высоты орбит, а станции наблюдения, построенные на Гавайях, атолле Кваджелейн, островах Вознесения, Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс, записывают эту информацию и передают на главный командный пункт на военной базе Falcon в Колорадо. Оттуда периодически производится корректировка орбит и прочей навигационной информации.
Другим фактором, влияющим на точность системы, является геометрия спутников или то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Это становится особенно важным при использовании GPS в автомобиле, проезжающем среди высоких зданий, в горах или глубоких ущельях. Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными преградами, тем труднее определить положение. Вот почему владельцы дорогих и оборудованных самыми современными техническими прибамбасами моделей неуютно чувствуют себя в Манхэттене с его небоскребами.
Теперь несколько слов о том, кто и как использует GPS. Вскользь об этом уже сказано, теперь немного подробнее. Увеличивая точность навигационных расчетов, спутники повышают экономичность и безопасность мореплавания и воздушного сообщения. Не зря американские авиационные эксперты уверены: для того чтобы справиться с огромным объемом движения в небе к 2025 году, стране понадобится потратить на совершенствование системы GPS еще 40 миллиардов долларов.
Безошибочно определяя свое местонахождение в каждый отрезок времени, авиалайнеры, суда торгового и пассажирского флота выдерживают на всем маршруте оптимальную скорость, уменьшая таким образом расход топлива. Существенно уменьшается при этом и риск столкновения кораблей.
Важное место занимает GPS в работе спасательных служб. Она позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами, и время проведения спасательных операций.
Цели, для которых GPS используется любителями отдыха на природе, так же разнообразны, как и виды такого времяпрепровождения. GPS черезвычайно популярна среди любителей пешего, горного, водного и лыжного туризма, охотников, рыболовов, велосипедистов – всех тех, кому нужно знать, где они находятся, как им добраться до нужного места, с какой скоростью они движутся и когда достигнут пункта назначения.
Все большую популярность завоевывают GPS-приемники у автомобилистов. Так как в дальней поездке важно не столько определить свои координаты, сколько проложить оптимальную дорогу и не сбиться с пути, водители пользуются GPS-навигаторами, в которые можно загружать автомобильные карты и прокладывать маршрут. После загрузки карт водитель указывает в навигаторе пункт отправления и пункт назначения, затем прибор строит оптимальный маршрут. Обычно GPS во время движения отображает на карте текущее положение автомобиля в пути следования. При приближении к поворотам электронный голос навигатора сообщает водителю, когда необходимо будет повернуть налево или направо...
Для контроля же передвижения спецавтомобилей, например инкассаторских, и для борьбы с угонами начали использоваться системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта на карте местности. С помощью аналогичной системы также можно контролировать перемещение грузов и всегда знать, как скоро ожидаемый груз прибудет на конечный пункт. Помимо поддержания порядка в грузоперевозках, это дисциплинирует водителей, оберегая их от соблазна задержаться где бы то ни было или использовать автомобиль не по назначению.
Нелишне будет упомянуть о том, что аналогичная навигационная система строится и в России. Сейчас в составе ее орбитальной группировки находится всего 17 космических аппаратов ГЛОНАСС. Однако для навигации используются лишь десять. Еще один спутник готовится к вводу в систему. На техобслуживании временно находятся пять. И еще один аппарат выводится из “строя”.
В конечном счете на орбите должно работать столько же российских спутников, сколько и в GPS, - 24, однако на территории России система будет функционировать уже после вывода в космос 18 аппаратов. Этого количества российские специалисты рассчитывают достичь еще до конца текущего года.
“Предоставление гражданских сигналов системы ГЛОНАСС на территории нашей страны, а впоследствии и за рубежом будет предоставляться на безвозмездной основе, - заявил недавно глава Роскосмоса Анатолий Перминов. – Важно и другое - будет обеспечена совместимость и взаимодополняемость российской системы с американской, а впоследствии и европейской”.
Здесь нужно сказать, что спутниковая навигация – серьезный многомиллиардный бизнес. Если в 2005 году объем мирового рынка услуг систем глобального позиционирования составлял 30 миллиардов евро, то к 2011 году этот показатель вырастет в четыре раза.
В заключение остановимся на том, как индивидуальному пользователю выбрать наилучший GPS-приемник. Самое трудное - найти прибор, подходящий для каких-то конкретных задач. Если вам нужен приемник для установки в приборную панель планера или частного самолета, ручной навигатор для отдыха на воде не подойдет. Поэтому нужно внимательно посмотреть, какие приборы выпускаются для решения данной конкретной задачи.
Но выбор моделей все еще продолжает оставаться широким. Например, если вы увлекаетесь пешим туризмом или охотой, прибор в герметичном исполнении будет для вас в самый раз. Впрочем, как и портативная модель, предназначенная для яхтсменов или летчиков-любителей. В такой ситуации придется более подробно изучить их специфические особенности.
Если вы не собираетесь пилотировать самолет, вся дополнительная дорогостоящая информация об аэропортах мира, хранящаяся в памяти ручных авиационных GPS-приемников, будет для вас бесполезной. Морские приемники со сменными картриджами, хранящими точные данные о навигационных знаках и глубинах, также окажутся неподходящими, если у вас нет собственной яхты.
Как только вы ограничили выбор небольшим перечнем подходящих приборов, определитесь с приемлемой ценой. Внимательно изучите каждую модель и постарайтесь понять, нужны ли вам дополнительные функции или принадлежности, присущие более дорогим моделям.
Если логика подскажет остановиться на двух или трех моделях, желательно опробовать каждую из них на практике. Иногда разница в удобстве эксплуатации может оказаться очень большой. Один из приборов представится вам понятным и удобным, другой – чересчур сложным в использовании. Выбирайте тот GPS-приемник, который вам больше подойдет и понравится. Если ваши впечатления и знания совпадут все будет в порядке!