GPS в нашей жизни: как навигация стала доступна каждому
Изначально навигационная спутниковая система NavStar GPS предназначалась исключительно для военного применения: например, для определения точных координат подводных лодок при запуске межконтинентальных баллистических ракет.
Но с 70-х годов все изменилось. Сейчас без GPS сложно представить нашу жизнь. Давайте чуть коснемся истории и посмотрим, как 32 вращающихся по орбите спутника повлияли буквально на все вокруг.
Как появилась GPS
4 октября 1957 года СССР запустил аппарат «ПС-1» — первый искусственный спутник Земли. Он проработал 92 дня и совершил 1440 витков вокруг планеты, непрерывно излучая «бип-бип-бип» с периодом 0,3 секунды попеременно на частотах 20 и 40 МГц. Это было сделано неслучайно: многие радиоприемники прекрасно принимали такой сигнал без доработок. Настоящий триумф научной мысли, которым могли наслаждаться миллионы радиолюбителей. Как писал Рэй Брэдбери:
«Тот маленький огонек, прочертивший небо от края до края, был будущим для всего человечества»
Да, немного пафосно, но по сути так и есть. Однако «не только лишь все» просто принимали сигнал — еще его тщательно изучали американские инженеры. На то были причины: Министерство обороны США было в полном шоке. И прежде всего его руководство пыталось понять, как СССР сможет использовать спутники в военных целях.
Ричард Кершнер, работавший с 1955 года над разработкой двухступенчатой ракеты UGM-27 Polaris для атомных подводных лодок «Джордж Вашингтон», бился над проблемой точного наведения. Для этого нужно было знать не только местоположение цели, но и самой субмарины в данный момент времени. И чем точнее, тем лучше.
Кершнер в течение нескольких дней фиксировал сигналы «Спутника-1», и вместе с коллегами обратил внимание на интересную особенность. Если ИСЗ отдалялся от приемника, то частота сигнала снижалась, а если приближался — увеличивалась. Что за ерунда? Ответ пришел достаточно быстро: скорость вращения составляла 7935 м/с, и в дело начинал вступать эффект Доплера.
Наглядная иллюстрация эффекта при вращении ИСЗ
Другими словами, по частоте сигнала относительно расположения приемника можно точно отследить положение спутника на орбите. Да, интересно —, но что еще?
С другой стороны, орбита спутника в принципе хорошо известна, а данные телеметрии легко передаются на Землю. А что, если попробовать наоборот: отталкиваясь от известных характеристик полета в определенный момент времени, по сдвигу частоты сигнала определить положение приемника? Причем это будет абсолютная величина, ведь положение ИСЗ все время меняется.
Кершнер рассказал о своем открытии военным, и в 1958 году агентство ARPA, занимающееся перспективными исследованиями, приступило к разработке системы Transit. И в срочном порядке: СССР спустя месяц запустил на орбиту «Спутник-2», уже с собакой Лайкой на борту. По сути, запуск был поставлен на поток — и это был вопрос времени, когда советские инженеры смогут реализовать подобную систему для навигации своих субмарин.
В сентябре 1959 года был запущен первый спутник Transit 1A ракетой-носителем Thor-DM18 Able-2. Из-за сбоя аппарат не вышел на расчетную орбиту. Однако для проверки концепции даже этого было достаточно.
В апреле 1960 года его копия Transit 1B все-таки была выведена на запланированную орбиту и продемонстрировала эффективную работу: по доплеровскому смещению радиосигнала можно было вычислять местоположение приемной станции с точностью до 200 метров. Одновременно расхождение по времени достигало порядка 50 мкс (микросекунд) для синхронизации. Вещание велось на частотах 150 и 400 МГц.
Слева — подготовка спутника Transit 1A к запуску, справа — спутник Transit 1B на орбите, по мнению художника
Было проведено несколько несколько наземных испытаний на стационарной станции в Лореле, штат Мэриленд. После этого нужно было проверить работоспособность непосредственно на подводной лодке. Для этого компанией Ramo-Wooldridge был разработан компьютер AN/UYK-1 — весом 250 кг, габариты устройства позволяли ему пройти через круглый люк и разместиться в рубке управления. Компьютер позволял в течение 10–15 минут обработать радиосигналы по методу наименьших квадратов со спутника и рассчитать по доплеровскому смещению координаты с заданной точностью, с учетом поправки на текущую скорость корабля и прочие факторы. Более подробно алгоритм расчета можно посмотреть по ссылке.
В течение следующих четырех лет на орбиту вывели еще 12 спутников, и в 1964 году система официально была запущена в действие. Дополнительные спутники выводили на орбиту вплоть до 1988 года.
Однако в лаборатории Aerospace Corporation посчитали, что систему можно сделать более эффективной — для работы Transit в приемниках требовались очень точные атомные часы. Для военных это, может, и приемлемо, но для гражданских применений это приведет к неоправданно высокойстоимости приемных устройств. Чтобы уйти от этого, в 1962 году под руководством доктора Ивана Геттинга начались разработки в рамках секретного «проекта 621-B».
Суть заключалась в том, чтобы разместить точные атомные часы непосредственно в спутниках, а определять местоположение, ориентируясь на показания четырех ИСЗ методом триангуляции. Грубо говоря, по времени получения сигнала от трех спутников со строго известными координатами (при этом положение и синхронность отсчета времени постоянно контролируется на наземных станциях, а скорость света известна), можно определить местоположение объекта. А четвертый спутник позволяет синхронизировать время на приемном устройстве и повысить точность измерения — более подробно принцип работы спутниковой системы навигации описан здесь.
Иллюстрация принципа, кардинально отличающегося от используемого в Transit. В приемных устройствах не требовалось бы использование атомных часов
А чтобы связь была доступна в любой точке Земли, потребуется 24 спутника, которые будут вращаться в шести орбитальных плоскостях — по четыре на каждую плоскость, на высоте 20 200 км.
Распределение 24 спутников по шести плоскостям орбит — в любой момент над каждой точкой Земли будет находиться минимум четыре спутника. Каждый будет совершать ровно два оборота вокруг Земли в сутки
В 1967 и 1969 годах для проверки предложенной концепции были запущены спутники Timation-1 и Timation-2. В ходе испытаний проверялась не только связь на частотах 335 и 1580 МГц, но и работа самых современных на тот момент кварцевых генераторов. В 1974 году был запущен спутник NTS-1, на борту которого уже использовались атомные рубидиевые часы FRK. Их точность показала, что именно такой вид часов будет использоваться во всех будущих спутниках.
Атомные рубидиевые часы, которые использовались в спутнике NTS-1
В процессе тестирования аппаратов появилось множество вопросов. Например: в каком виде передавать данные со спутников с учетом многочисленных помех и как кодировать сигнал, например, для военных целей? Для этого была реализована концепция CDMA (множественного доступа с кодовым разделением каналов), известная еще с 50-х годов. И дополнительно доктор Роберт Голд разработал алгоритм псевдослучайных последовательностей, известных как «коды Голда».
Дополнительно инженеры столкнулись с проблемой задержки радиосигнала при прохождении ионосферы. Чтобы решить ее, была разработана математическая модель Клобучара. Она позволяла корректировать ошибку, не перегружая информационный канал связи со спутниками и не усложняя обработку сигнала на приемных устройствах. В целом, к 1974 году все основные вопросы по работе будущей системы спутниковой навигации удалось решить.
В ноябре 1972 года полковнику ВВС Брэдфорду Паркинсону поручили курировать программу спутниковой навигации. Он возглавил команду по разработке концепции, основанной на проектах TRANSIT, Timation и 621-B. В 1973 году была утверждена концепция оборонной навигационной спутниковой системы DNSS, которую позже переименовали в Navstar.
Слева — Ричард Кершнер, идеолог системы Transit. Справа — Брэдфорд Паркинсон, курировавший программу DNSS (в будущем Navstar GPS)
Разработка стартовала в 1974 году и включала не только создание самых современных спутников, оснащенных атомными часами и системами ориентации солнечных панелей, но и постройку наземных станций для обмена данными со спутниками. К разработке привлекли компанию Rockwell International.
В 1977 году запустили спутник NTS-2, а в 1978 году — первый экспериментальный спутник Navstar GPS Block I. К концу года на орбиту вывели еще три спутника — это позволило провести ряд испытаний по определению координат на Земле по методу триангуляции. Подтвержденная точность достигала 10 метров. К 1985 году функционировало уже девять спутников — система уже активно использовалась в военных целях.
Вещание велось на двух несущих частотах L-диапазона: 1542 МГц (L1) и 1228 МГц (L2). Передача данных телеметрии и синхронизация с Землей велась в S-диапазоне. Солнечные батареи с обеих сторон аппаратов обеспечивали выработку до 400 Вт, параллельно заряжая никель-кадмиевые батареи для непрерывной работы.
Модульная конструкция позволяла сохранять ориентацию спутника на Землю благодаря гироскопам и RW-маховикам, одновременно обеспечивая перпендикулярный угол наклона солнечных панелей по отношению к направлению солнечных лучей. Дополнительно на борту располагались четыре комплекта атомных часов — два цезиевых и два рубидиевых, что повышало надежность в случае отказа одного из них.
Устройство первого поколения спутников Navstar
В 1989–1993 годах была запущена еще партия модернизированных спутников Block II и Block IIA, что позволило довести количество спутников на орбите, вращающихся в шести орбитальных плоскостях с наклоном 55°, до целевого значения 24. Все было готово к запуску фазы первоначальной работоспособности (IOC), в том числе для массового использования в гражданских целях.
Испытание спутников Navstar второго поколения — имеют большую площадь солнечных панелей и генерируют до 700 Вт электроэнергии
Как GPS стала доступна каждому
Важным событием, которое подтолкнуло правительство США сделать GPS доступным, стала катастрофа Boeing 747. Напомним, что в 1983 году он был сбит советским самолетом-перехватчиком после входа в воздушное пространство СССР. До сих пор в этой истории нет точного понимания, как и почему все произошло. Но факт остается фактом — погибло 269 человек, а Рональд Рейган официально заявил, что GPS-система должна стать доступной для гражданского использования. Тогда в будущем таких «навигационных ошибок» можно будет избежать.
Тот самый Boeing-747 южнокорейских авиалиний
В 1985 году Федеральное правительство США заключило контракты с частными предприятиями на создание «бортовых, судовых и портативных» приемников, которые будут использоваться в системе GPS. За разработку взялись сразу несколько компаний, но первыми смогли реализовать в компании Magellan Navigation — на свет появился портативный Magellan NAV 1000.
Устройство стоило порядка 3000 долларов, весило 800 грамм, а аккумулятора хватало всего на 2–3 часа. Но это в любом случае был настоящий прорыв. Представьте: теперь любой человек на Земле (у которого, конечно, были такие деньги) мог знать, где он находится, с точностью в несколько метров.
Однако до того, как подобные устройства оценили бы гражданские лица, их, разумеется, активно начали тестировать военные. Ведь изначально GPS, как и Transit, было ориентировано на использование на кораблях и самолетах.
Первоначально Magellan NAV 1000 использовался для морской навигации, но позже эти портативные приемники использовались и сухопутными войсками США во время операции «Щит пустыни»
К 1990 году на орбите было развернуто 16 спутников Navstar, которые обеспечивали покрытие в течение 19 часов. Как многие помнят, в то время США с союзниками начали операцию «Щит пустыни» — на вооружение поступило порядка 500 демонстрационных устройств. Но когда командиры подразделений оценили их преимущества, внутри войск началась жесткая конкуренция за них. Министерство обороны выделило средства для закупки дополнительных устройств, однако к моменту наземной операции их все равно не хватало.
В число применений, в которых требовались GPS-приемники, в первую очередь входила разведка, штурмовые бригады и артиллеристы. В результате многие подразделения даже начали сами закупать Magellan NAV 1000 и AN/PSN-10 (еще один вид портативных приемников) за свой счет, с хорошей скидкой.
Один из солдат использует GPS-приемник
При этом была одна тонкость. Дело в том, что в GPS было реализовано два стандарта: SPS (Standard Positioning Service, с точностью 50–100 метров) и PPS (Precise Positioning Service, с точностью 5–10 метров). Последние как раз предназначались для использования военными и активно использовалась на кораблях и самолетах. А вот SPS имел худшую точность, что было сделано намеренно: чтобы всякие «умники» не имели преимуществ. Коммерческие GPS-приемники не поддерживали PPS, поэтому большая часть сухопутных подразделений армии США стали жертвами своей же «выборочной доступности».
Один из командующих во время войны в Персидском заливе, генерал-лейтенант Фредерик Фрэнкс вспоминал: «Они [приемники GPS] были бесценны для предотвращения братоубийства и обеспечения точной навигации и артиллерийского огня». После войны командование армии США поручило оснастить GPS-приемниками все бронированные транспортные средства.
Но вернемся к истории мирного использования GPS. В 1993 году началась первая фаза первоначальной работоспособности (IOC), а 27 апреля 1995 проект перешел в фазу полной работоспособности (FOC). Все 24 спутника (точнее, всего их было 27 — три резервных) были готовы к использованию в рамках «двойного назначения»: как для военных, так и для гражданских задач. 17 июля 1995 года об этом было официально объявлено — началась новая эпоха.
Но как это сделать удобнее всего для пользователей? Не носить же с собой отдельно портативный GPS-приемник размером с кирпич в кармане? Тогда многим компаниям пришла в голову идея: встроить соответствующий чип внутрь мобильных телефонов, которые с каждым годом становились все доступнее.
Первыми, кому это удалось сделать, стала компания Benefon, которая представила в 1999 году телефон Benefon ESC!. В сочетании с точными картами, на которых отображалось ваше текущее местоположение в любой точке мира, это стало настоящей революцией. Цены на чипы стремительно снижались: теперь речь шла условно не о сотнях, а о нескольких долларах.
Так выглядел первый мобильный телефон с GPS-приемником. Финская компания Benefon обанкротилась в 2004 году, но именно она первой проложила дорогу другим производителям
В 2001 году начали появляться первые автомобильные навигаторы. Первопроходцем стала нидерландская компания TomTom, которая сначала выпустила ПО TomTom Navigator, а в 2004 году — устройство TomTom Go, позиционирующееся как «все в одном», с возможностью онлайн-обновления карт. Конкуренцию им составила американская Garmin, ранее специализировавшаяся исключительно на авиационных системах GPS-навигации.
Навигатор TomTom Go
Однако у многих возникали некоторые неудобные вопросы:
По какой причине точность навигации для системы, созданной на деньги налогоплательщиков и позиционирующейся самими властями для «двойного назначения», специально ухудшается в рамках того самого принципа «выборочной доступности»? Почему нельзя предоставить доступ к PPS?
Раз система изначально разработана для военных применений, то можно ли отслеживать местоположение самих пользователей?
Например, именно такие мысли привели страны Европы к появлению собственной системы глобального спутникового позиционирования Galileo. С учетом того, что в СССР и России были и есть свои системы, первоначально ориентированные также на «военку».
Страхи усилились, когда компания Qualcomm в 2002 году анонсировала систему gpsOne. Она использовала так называемую A-GPS (Assisted GPS) — это когда устройство не может сразу найти сигнал со спутника, то определяет примерное местоположение по внешним сигналам от вышек сотовой связи и других сетей. В идеале это позволяло бы быстрее определять, где находится человек, попавший в беду — отличное применение для пожарных, скорой и так далее.
Однако это же имеет и обратную сторону: конкретного звонящего по сотовому можно быстро и достаточно точно отследить. В теории, разумеется — зачем бы такое кому-то понадобилось?
На самом деле власти, с одной стороны, не хотели терять заложенные в системе преимущества для военного использования, да и были бы только рады дополнительным возможностям проконтролировать граждан (и не только) еще больше. Но с другой стороны, поднявшийся вой бизнеса, демократических политиков и обычного населения резко тормозил распространение технологии и отрицательно влиял на рейтинги.
В 2000 году, после скандала с Моникой Левински и бомбардировок Югославии репутация президента США Билла Клинтона шаталась, как деревянный мостик на ветру. Чтобы как-то обелить наследие своего 8-летнего правления (как говорил Штирлиц, «запоминается последнее»), 1 мая 2000 года он издает значимый указ по «Улучшению гражданской глобальной системы позиционирования (GPS)».
«Решение прекратить выборочную доступность — это последняя мера в продолжающихся усилиях по повышению отзывчивости GPS для гражданских и коммерческих пользователей по всему миру. Такое повышение точности позволит появиться новым приложениям GPS и продолжить улучшать жизнь людей по всему миру».
В одну ночь пользователи получили возможность определять свое местоположение в 10 раз точнее, чем было до этого.
Но, конечно, у этого были и другие причины. Например, США пытались активно бороться с решением ЕС о создании собственной системы спутниковой связи. Такой аргумент мог стать веским поводом отказаться от Galileo и сохранить монополию для США на большую часть мира (ГЛОНАСС в расчет не берем). Тем более с финансированием европейского проекта были огромные сложности.
Но как мы знаем, Galileo все-таки была успешно запущена. И сейчас используется, наряду с ГЛОНАСС и BeiDou, хотя GPS остается самой известной системой глобального позиционирования в мире.
Стоит упомянуть, что в 2004 году в США еще была запущена система WAAS (Wide Area Augmentation System), которая позволяла корректировать и дополнять точность позиционирования GPS для гражданской авиации.
WAAS имеет отдельную инфраструктуру из спутников и наземных станций, которая дополняет GPS и корректирует возможные ошибки, особенно критичные для авиации. Ее альтернативы есть в Европе (EGNOS), России (SDCM), Индии (GAGAN) и других
В 2005 году США объявляют, что планируют обновить спутники на орбите, и в них не только не будет реализован механизм «выборочной доступности», но и будет поддерживаться дополнительный канал L2C связи для гражданских применений. В том же году на орбиту вывели первый спутник Block IIR-M — к 2009 году их число увеличилось до восьми.
Спутник GPS Block IIR-M на орбите, по мнению художника
В 2010–2016 годах 12 спутников следующей версии Block IIF, в которых появилась новая частота L5, были также выведены на орбиту. А в 2018 году начали выводиться аппараты третьего поколения GPS Block III производства Lockheed Martin — вот какие преимущества заявляются компанией:
Точность в три раза выше.
Помехозащищенность в восемь раз лучше.
Есть поддержка сигнала диапазона L1C, для совместимости с европейской системой Galileo.
Модульная конструкция, которая позволит в будущем добавлять новые технологические блоки без глобальной модернизации всего аппарата.
На сегодняшний день выведено 6 спутников — к 2026 году планируется вывести четыре оставшихся. Всего на орбите сейчас 32 аппарата, из которых используется 31.
В каких отраслях без GPS — никуда
По оценкам аналитиков, с 1980-х годов спутники GPS помогли получить почти 1,4 триллиона долларов экономических выгод. От их сигналов зависят четыре миллиарда пользователей. Только в США речь идет о доходе 300 млрд долларов в год и 900 миллионах GPS-приемников, в среднем по три на каждого жителя Америки.
Вот лишь некоторые важные гражданские отрасли (военных касаться не будем), в которых GPS — критически важная штука. И речь тут не только о том, чтобы мы с вами могли спокойно доехать до пункта назначения в незнакомом городе.
Гражданская авиация. В мире сейчас насчитывается сотни тысяч самолетов — как пассажирских, так и частных. И отсутствие работы спутниковых систем (той же GPS вкупе с WAAS) создало бы некоторые сложности. Например, в работе системы ADS-B (автоматическое зависимое наблюдение-вещание), весьма критичной для координации и безопасности полетов.
Морская навигация. Работы GPS лежит в основе так называемой автоматической идентификационной системы (AIS), которая позволяет идентифицировать суда, определять их курс, согласовывать движения относительно друг друга, помогать в операциях по поиску и спасения (SAR) и многое другое.
Транспортная логистика. GPS помогает отслеживать маршруты грузовиков и прокладывать их оптимальным образом. Это позволяет экономить время в пути: уменьшать плечо поставки товаров, экономить топливо и даже повышать культуру вождения. Исследования показали, что спутниковая навигация привела к снижению расходов топлива на 13,2%, а количество штрафов сократилось на 40%.
Железнодорожные сообщения. Спутниковая навигация применяется в системах управления движением поездов — PTC (Positive train control) в США. Она позволяет контролировать положения поездов, их скорость, и принимать меры по предотвращению аварий автоматически, исключая ошибки машинистов. Сейчас она действует на 98% всех путей Америки.
Картография и геодезия. Возможности GPS позволяют составить карты местности и определить рельеф с точностью буквально в 1–2 метра и даже точнее, благодаря современному диапазону L5. Причем для этого не нужна прямая видимость или непосредственный доступ.
Спасение жизней. GPS — это настоящая находка для служб экстренного реагирования. Скорая или пожарная могут быстрее добраться до цели, учитывая загруженность дорог. А в случае стихийных бедствий или техногенных катастроф поисковые службы могут быстрее найти человека. В современных спутниках для этого зарезервированы возможности для программы Cospas-Sarsat.
Тектонический контроль. Существует несколько тектонических лабораторий, которые постоянно мониторят деформации и сдвиги плит земной коры. Они размещают сеть GPS-приемников на определенных расстояниях и контролируют их перемещение. Такой подход позволяет заранее прогнозировать землетрясения и цунами.
Это лишь некоторые гражданские применения — уверены, что вы сможете назвать еще с десяток.
Однако зависимость от спутниковой связи может использоваться и во вред — и речь тут не про наведение ракет или управление БПЛА. Речь идет о так называемом спуфинге.
Например, в 2019 году Иран вмешался в навигационную систему британского танкера Stena Impero в Ормузском проливе. Подменив сигнал, они вынудили корабль войти в иранские воды, после чего захватили корабль. Если опустить политические причины, то проблема безопасности становится все острее с развитием технологий.
Британское судно, которое стало жертвой спуфинга
Так что вопросы остаются. Например, кто может отслеживать положение конкретного человека с точностью до метра через GPS и чем это может быть чревато? Насколько вообще можно доверять определению геолокации на смартфоне, особенно в столь неспокойное время? Какова вероятность стать жертвой спуфинга? И многое другое.
Но это уже часть нашей жизни, и вряд ли мы можем полностью от нее отказаться. Возможно, разумный подход — осознавать риски, но продолжать использовать GPS осознанно, понимая его плюсы и минусы. А уже как именно поступать — это выбор каждого.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
