[Перевод] Куда добирается GPS
Пять возможностей спутниковой навигационной системы, о которых вы не подозревали
Высокоточная GPS-станция на гребне Форда на Земле Мэри Бэрд в Антарктике. Является частью полярной наблюдательной сети Земли (POLENET), собирающей измерения, касающиеся GPS и сейсмической активности, чтобы лучше понимать поведение ледяного покрова. Это один из примеров различных данных, получаемых учёными за счёт GPS-инструментов.
Вы можете считать себя экспертом по навигации в городских условиях при наличии у вас смартфона. Вы, возможно, даже гуляете по пересечённой местности с GPS-навигатором, чтобы не заблудиться в глуши. Но вы наверняка удивитесь, узнав на какие вещи способна GPS — система глобального позиционирования, лежащая в основе всей современной навигации.
GPS состоит из созвездия спутников, отправляющих сигналы на поверхность Земли. Простейший GPS-приёмник, как тот, что есть в вашем смартфоне, определяет ваше местонахождение — в радиусе 1–10 метров — измеряя время прихода сигналов от четырёх или более спутников. С более модными (и дорогими) GPS-приёмниками учёные могут узнавать своё местонахождение с точностью до сантиметров или даже миллиметров. Используя эту уточнённую информацию и новые способы анализа сигналов, исследователи обнаруживают, что GPS способна рассказать им о планете гораздо больше, чем считалось ранее.
За последнее десятилетие всё более быстрые и точные GPS-устройства позволили учёным узнать, как движется земля во время землетрясений. GPS привели к созданию более точных систем, предупреждающих о таких природных катастрофах, как наводнения и извержения вулканов. Исследователи даже собрали на коленке GPS-приёмники, работающие как датчики уровня снега, измерители приливов и другие неожиданные инструменты, измеряющие состояние Земли.
«Люди думали, что я сошёл с ума, когда я начала рассказывать об этих способах применения», — говорит Кристин Ларсон, геофиизк из Университета Колорадо-Бордер, под чьим руководством было сделано множество открытий, описанных в ежегодном отчёте о Земле и планетарных 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. «Но оказалось, что мы смогли это сделать».
Вот несколько неожиданных вещей, которые, как лишь недавно догадались учёные, можно сделать при помощи GPS.
1. Почувствовать землетрясение
Веками геологи полагались на сейсмометры, измеряющие земную тряску, чтобы оценить силу и масштаб землетрясения. GPS-приёмники служили другой цели — они отслеживали геологические процессы, происходящие на гораздо меньших масштабах, к примеру, скорость, с которой плиты земной коры трутся друг об друга в процессе тектоники плит. Так что GPS может сообщить учёным о скорости, с которой противоположные стороны разлома Сан-Андреас движутся относительно друг друга, а сейсмометры измеряют колебания земли, когда этот разлом переживает землетрясение.
Большинство исследователей просто не знали, что GPS может измерять местоположение с достаточной точностью и скоростью для того, чтобы оказаться полезным в оценке землетрясений. Но оказывается, что учёные могут выжать дополнительную информацию из сигналов, передаваемых GPS-спутниками на Землю.
Эти сигналы приходят в двух компонентах. Одна из них — уникальная последовательность нолей и единиц, или код, передаваемый каждым из GPS-спутников. Вторая — сигнал несущей частоты, передающий код со спутника. Поскольку у несущего сигнала длина волны меньше — и составляет всего 20 см — по сравнению с большей длиной волны кода, которая может достигать десятков или сотен метров, несущий сигнал даёт возможность обозначить точку на поверхности Земли с большой точностью. Учёным, наблюдателям, военным и другим людям часто требуется очень точное GPS-местоположение, и для этого нужен лишь более сложный GPS-приёмник.
Как работает GPS: GPS-приёмник, как тот, что есть в вашем смартфоне, определяет ваше местонахождение измеряя расстояние до трёх спутников. Четвёртый синхронизирует часы в приёмнике и спутниках.
Трилатерация: зная расстояние X до спутника 1, вы знаете, что находитесь в любой точке серого круга (или сферы, в трёхмерном пространстве). Зная расстояние Y до спутника 2, вы понимаете, что можете находиться в одной из двух точек пересечения кругов. Зная расстояние Z до спутника 3, вы понимаете, в какой из двух точек находитесь. Четвёртый спутник синхронизирует часы в приёмнике и спутниках.
Инженеры также улучшили скорость обновления информации о местонахождении в GPS-приёмниках, так, что они уже умеют обновлять её по 20 раз в секунду, или даже чаще. Как только исследователи поняли, что могут так быстро получать результаты измерений, они начали использовать GPS для изучения движения земли во время землетрясений.
В 2003 году, в одном из первых исследований такого рода, Ларсон с коллегами использовали GPS-приёмники, расставленные по западу США, чтобы изучать сдвиги земли при проходе сейсмических волн от землетрясения на Аляске магнитудой 7.9. К 2011 году исследователи смогли собрать GPS-данные по землетрясению магнитудой 9.1, разрушившей Японию, и увидели, что морское дно во время землетрясения сдвинулось на невероятные 60 метров.
Сегодня учёные более широко изучают возможности GPS по оценке землетрясений. Диего Мелгар из Орегонского университета в Юджине и Гэвин Хейс из геологической службы США в Голдене, Колорадо, изучили 12 происшедших ранее крупных землетрясений, чтобы узнать, можно ли было с первых секунд землетрясения предсказать его полный масштаб. Учитывая информацию, полученную с GPS-станций, расположенных рядом с эпицентром землетрясения, учёные смогли за 10 секунд определить, достигнет ли магнитуда землетрясения пагубных 7 баллов или совершенно разрушительных 9.
Исследователи с западного побережья США даже включают GPS в свою нарождающуюся систему раннего предупреждения о землетрясениях, распознающую колебания земли и уведомляющую людей в удалённых городах, дойдут ли эти колебания до них. В Чили строят собственную GPS-сеть, чтобы быстрее получать более точную информацию, которая может помочь подсчитать вероятность появления цунами после землетрясения, произошедшего рядом с берегом.
2. Отслеживать состояние вулкана
Кроме землетрясений, GPS помогает представителям власти быстрее реагировать на другие природные катаклизмы.
К примеру, у многих станций наблюдения за вулканами есть GPS-приёмники, расставленные по тем горам, за которыми они следят, поскольку, когда под землёй начинает двигаться магма, это часто заставляет сдвигаться и поверхность. Наблюдая, как GPS-станции вокруг вулкана поднимаются или опускаются, исследователи могут лучше представить, где именно течёт расплавленный камень.
Перед крупным извержением вулкана Килауэа на Гавайях в 2018 году, исследователи использовали GPS, чтобы понять, какие части вулкана двигаются быстрее всего. Власти использовали это для того, чтобы решать, какие части острова нужно эвакуировать.
Photo shows a GPS antenna perched on rock on the shore of the Kachemak Bay, Alaska. Underneath, a graph shows the variation in the height of the tide over a two-week period.
Измерение уровня воды при помощи GPS. На фото GPS-станция стоит на берегу залива Качемак на Аляске. Данные с этого приёмника хорошо сочетаются с данными измерений приливов, ведущихся неподалёку для национального управления океанами и атмосферой (график внизу). Это демонстрирует, как GPS-сигналы можно использовать для отслеживания изменяющихся уровней воды.
Данные с GPS могут оказаться полезными даже по окончанию извержения. Поскольку сигналы идут от спутников на землю, им приходится проходить через материал, извергающийся из вулкана в воздух. В 2013 году исследователи изучали GPS-данные, полученные с извержения вулкана Редаут на Аляске, происшедшего за четыре года до этого, и обнаружили искажение сигналов, начавшееся вскоре после начала извержения.
Изучая искажения, учёные могли оценить количество выброшенного пепла и скорость его движения. В последовавшей работе Ларсон назвала это «новым способом обнаружения вулканических выбросов».
Они с коллегами работали над способами осуществления подобных измерений при помощи GPS-приёмников похожих на те, что устанавливают в смартфоны, вместо дорогого оборудования. Это могло бы позволить вулканологам развернуть сеть из относительно недорогих приёмников и отслеживать вулканические выбросы во время их поднятия. Вулканические выбросы представляют серьёзную проблему для самолётов, которым приходится облетать столбы пепла, опасаясь, что частицы забьют их реактивные двигатели.
3. Изучать снежный покров
Некоторые из самых неожиданных примеров использования GPS проистекают из недостатков — частичного отражения сигнала от земли.
Типичный GPS-приёмник, как в вашем смартфоне, в основном воспринимает сигналы, идущие напрямую от GPS-спутников у вас над головой. Но он также получает и сигналы, отразившиеся от земли, по которой вы ходите, и попавшие после этого в смартфон.
Годами учёные считали эти отражённые сигналы простым шумом, что-то типа эхо, загрязняющего данные и усложняющие разбор сигналов. Но примерно 15 лет назад Ларсон и другие начали думать над тем, нельзя ли воспользоваться свойствами эхо в научных GPS-приёмниках. Они начали изучать частоты сигналов, отражающихся от земли, и то, как они комбинируются с сигналами, пришедшими напрямую со спутника. А из них можно вывести свойства поверхности, отражающей это эхо. «Мы провели реверс-инжиниринг этого эха», — говорит Ларсон.
Всё больше исследователей используют отражённые GPS-сигналы в качестве датчиков для изучения, к примеру, круговорота воды. Между сигналами, отражёнными от голой почвы, от снежного покрова, от травы или мокрой почвы есть отличия.
Такой подход позволяет учёным узнавать свойства земли под GPS-приёмником — к примеру, содержание в ней влаги или количество скопившегося снега (чем больше выпадает снега, тем меньше расстояние от эха до передатчика). GPS-станции могут работать датчиками снега, измеряя его глубину, например, в горной местности, где он является основным источником воды.
Эта техника также хорошо работает в Арктике и Антарктике, где небольшое количество погодных станций отслеживают снегопады круглый год. Мэтт Зигфрид, сейчас работающий в Колорадской шахтной школе в Голдене, и его коллеги изучали накопление снега близ 23 GPS-станций в западной Антарктике с 2007 по 2017. Они обнаружили, что могут напрямую измерять изменяющийся снег. Это очень ценная информация для исследователей, пытающихся оценить, сколько снега в Антарктической ледяной шапке накапливается каждый год — и сравнить с количеством тающего снега каждое лето.
4. Почувствовать погружение в воду
GPS начиналась как способ измерить своё положение на земле, однако она оказывается полезной и для отслеживания изменений в уровне воды.
В июле Джон Галецка, инженер из геофизической исследовательской организации UNAVCO в Болдере, Колорадо, устанавливал GPS-станции в Бангладеш, на месте слияния рек Ганг и Брахмапутра. Это было нужно для подтверждения гипотезы о том, что наносы в реке сжимаются и земля постепенно тонет, из-за чего может повышаться уязвимость прилегающих территорий при наводнении во время тропических циклонов и из-за подъёма уровня моря. «GPS — потрясающий инструмент, способный помочь найти ответ на этот вопрос, и не только», — говорит Галецка.
В фермерском сообществе Сонатала, на краю мангрового леса, Галецка с коллегами расположили GPS-станцию на бетонной крыше местной школы. Вторую станцию они расположили неподалёку, на стальном пруте, вбитом в заливное поле. Если земля действительно медленно погружается в воду, тогда данные со второй GPS-станции будут выглядеть так, будто она медленно вылезает из земли. Измеряя эхо от GPS под станцией, учёные могут получать такие данные, как количество воды, заливающей рисовое поле во время сезона дождей.
GPS-приёмники могут помогать даже океанографам и морякам, играя роль измерителей приливов. Ларсон наткнулась на этот вариант, работая с данными от GPS из залива Качемак на Аляске. Станцию там установили для изучения тектонической деформации, однако Ларсон заинтересовалась ею потому, что в этом месте наблюдаются самые сильные перепады между приливом и отливом в США. Она изучила сигналы с GPS, отражавшиеся от воды, и попадающие в приёмник, и смогла отслеживать изменения уровня воды почти так же точно, как реальный измеритель уровня, находящийся в гавани неподалёку.
Это может помочь учёным в тех местах, где не установлено долгосрочных датчиков приливов, но есть GPS-станции.
Жители Сонаталы копают траншею для кабеля GPS-антенны.
5. Анализировать атмосферу
Наконец, GPS может выдавать информацию и о небе, такими способами, которые не приходили в голову учёным ещё несколько лет назад. Водяной пар, электрически заряженные частицы и другие факторы могут задерживать GPS-сигналы, проходящие сквозь атмосферу, и это позволит исследователям делать новые открытия.
Одна группа учёных использует GPS для изучения количества водяного пара в атмосфере, способного выпасть в виде снега или дождя. Исследователи использовали эти изменения для подсчёта вероятного количества осадков, выпадающих в виде ливней, что позволяло метеорологам уточнять их прогнозы по наводнениям в таких местах, как Южная Калифорния. Во время шторма в июле 2013 года метеорологи использовали GPS-данные для отслеживания муссонной влаги, надвигавшейся на берег, и эта информация стала ключевой для подготовки предупреждения, разосланного за 17 минут до наступления воды.
GPS-сигналы также искажаются, проходя через электрически заряженную часть верхних слоёв атмосферы, ионосферу. Учёные использовали данные с GPS для отслеживания изменений ионосферы, происходящих из-за катящихся по океану цунами. Эти сильные волны так активно перемешивают атмосферу, что эти колебания передаются вверх, до самой ионосферы. Однажды эта техника сможет дополнить традиционную систему предсказаний цунами, использующую буи, разбросанные по океану, и измеряющие высоту идущих волн.
Также учёные смогли изучить последствия полного солнечного затмения при помощи GPS. В августе 2017 года они использовали GPS-станции по всем США для измерения падения количества электронов в верхних слоях атмосферы при движении тени от Луны по континенту — эта тень заслоняет свет, порождающий электроны.
Получается, что GPS может пригодиться везде, от измерения колебаний земли под ногами, до измерения количества снега, падающего с неба. Неплохо для инструмента, который задумывался просто для того, чтобы облегчить вам ориентирование в городе [вообще-то изначально система строилась для военных нужд, и только потом её разрешили использовать гражданским / прим. перев.].
