GPS добрался до метра

Возможности системы GPS будут расширяться за счет модернизации, подразумевающей, в частности, введение дополнительных каналов для передачи сигнала на спутнике, увеличение мощности сигнала и усовершенствование системы его коррекции, использование направленных антенн, а также интеграцию с телевизионными и телефонными сотовыми сетями.

Новыми возможностями системы в первую очередь смогут воспользоваться военные, для которых она и создавалась. Так, самолеты военно-морских сил США смогут приземляться на авианосцы в полной темноте, станет возможным отслеживание местонахождения воздушных судов на всем протяжении полета. В ближайшее время GPS поможет контролировать движение автомобильного транспорта, обеспечивая безопасность дорожного движения. Усовершенствованная система может найти применение в электроэнергетике, телекоммуникациях, при добыче полезных ископаемых, в картографии и даже в сельском хозяйстве. Кроме того, любой пользователь сможет воспользоваться GPS в любой точке земного шара.

Небо ограничивает

Сегодня около 30 млн. человек используют GPS-навигацию, благодаря которой капитаны судов, водители автомобилей и любители приключений определяют свои координаты. В магазинах каждый месяц продается около 200 тыс. приемников. В 2003 г. по всему миру их продано на $3,5 млрд., и, по прогнозам маркетинговой фирмы Frost@Sallivan, с 2010 г. ежегодные показатели могут вырасти до $10 млрд. (Цифры не включают доходы от предприятий, работающих в отрасли.) Более 50% оборудования приобретают частные лица, 40% – коммерческие структуры, и лишь 8% –военные.

Америка не одинока в своем стремлении к развертыванию космических навигационных систем. В период «холодной войны» Россия разместила на космической орбите спутники собственной навигационной системы ГЛОНАСС. В ближайшее время эта отрасль будет стремительно развиваться, и GPS-приемниками будут оборудованы как легковые автомобили, так и мобильные телефоны. Вскоре стартует европейский проект Galileo, что может привести к переделу рынка спутниковой навигации.

С приобретением GPS-приемника стоимостью в $100, его владелец получает возможность определять собственное местонахождение с точностью 5–10 м. Армейские приборы дают точностью около 5 м. Если же GPS-приемник получает сигнал от наземной станции и проводит соответствующую коррекцию данных, а также при использовании специальных методик, его точность возрастает до 0,5 м и выше.

Чтобы понять, что нас ждет в будущем, давайте разберемся, чем мы располагаем сегодня. Спутники передают информацию двух видов - во-первых, о параметрах орбиты спутника и точном времени, во-вторых, кодовый сигнал, необходимый для определения времени передачи сигнала - псевдослучайную шумовую последовательность.

Для преодоления расстояние в 20 тыс. км, от спутника до Земли, сигналу требуется определенное время. Если пользователь сможет с помощью своего приемника определить время его получения, то можно будет зафиксировать время его прохождения и, умножив полученные данные на скорость распространения сигнала, рассчитать расстояние до спутника.

По расстояниям до как минимум трех спутников, пользователь сможет однозначно определить широту, долготу и высоту своего местонахождения. Yа спутниках установлены атомные часы, обеспечивающие точность хода до одной миллиардной. В большинстве GPS-приемников точность регистрации времени наони могут отставать на одну или более секунд в день. Можно подсчитать, что ошибка всего в одну секунду изменит расстояние от спутника до пользователя на 300 тыс. км. Инженеры называют процесс измерения расстояния между спутником и пользователем псевдоизмерением. Дело в том, что погрешность присутствует и в сигналах от четырех спутников, в результате чего мы получаем четыре уравнения с четырьмя неизвестными.

Современные GPS-приемники способны учитывать доплеровский эффект в случае, если измерения проводятся в движении. При перемещении приемника в сторону распространения волны ее длина становится больше, а при встречном ходе – меньше. Каждый спутник напоминает скоростной поезд. Если он движется на вас, то тон его гудка при приближении выше, а при удалении - ниже. Учитывая данный эффект, можно получить скорость движения GPS-приемника. Такой метод измерения скорости очень точен.

Таким образом, GPS-приемники определяют три координаты и три вектора скорости, а также производят синхронизацию времени через сеть. При этом сами приемники не передают сигналов в эфир. В скором времени GPS будут оборудованы сотовые телефоны, что приведет к подорожанию последних всего на $5.

Преодолевая ионосферу

Спутники GPS-системы передают сигнал, обладающий классической синусоидальной формой, на обычной радиочастоте. Сейчас на микроволновой частоте передаются два сигнала – L-1, L-2. Канал L-1 доступен для всех. Считается, что он предназначен для гражданских пользователей, хотя и военные про него не забывают. Канал L-2 предназначен для военных. Гражданские пользователи принимают на свои GPS-приемники этот канал, но в силу того, что они не имеют доступа к PRN-коду, возникает ошибка в позиционировании. Только дорогие приемники позволяют гражданским пользователям работать в диапазоне L-2. Поэтому большинство пользуется только сигналами L-1, позволяющими определять координаты с точностью от 5 до 10 м.

Сложности при приеме сигнала вызваны главным образом тем, что радиоволны на своем пути преодолевают ионосферу Земли, которая представляет собой плазменное облако, образованное Солнечным ветром. Ее границы простираются от 70 до 1300 км над поверхностью Земли, и при прохождении через ионосферу радиосигналы ослабляются и искажаются. В ночное время, когда ионосфера находится в состоянии покоя, задержка передачи сигнала составляет 1 м, а днем, когда активность плазмы высока, – более 10 м.

Для того чтобы минимизировать влияние ионосферы, используют дифференциальный режим (D-GPS). В такой схеме используются два приемника: один мобильный, второй располагается в точке с известными координатами. Данные, поступающие с этих GPS, сравниваются и обрабатываются, после чего происходит корректировка показаний мобильного приемника. Чем меньше база между ними, тем точнее показания.

Мощные и направленные сигналы

Начиная с 2005 г. спутники будут передавать дополнительные сигналы, которые повысят эффективность подавления ионосферных помех. По два сигнала добавятся к военным сигналам L-1 и L-2 и один – к гражданскому L-1, при этом существующие ныне сигналы не претерпят каких-либо изменений. Следующий этап совершенствования системы начнется в 2008 г. Спутники начнут передавать еще один гражданский сигнал L-5 с в 5 раз большей мощностью, чем сейчас. Его использование позволит минимизировать влияние ионосферы. GPS-приемники будущего смогут сравнивать искажения двух сигналов, внося необходимые коррективы в расчеты.

Операторы, использующие D-GPS-приемники, также окажутся в выигрыше. Напомним, что точность работы D-GPS-системы снижается по мере того, как увеличивается расстояние между фиксированным приемником и мобильным GPS. Это связано с тем, что на приемники попадают сигналы от спутников, прошедшие через разные слои ионосферы. При работе с двумя сигналами мобильный GPS способен оценить влияние ионосферы, а данные от фиксированного приемника помогут свести к минимуму остальные погрешности, так что погрешность измерений снизится до 30 -50 см.

Чтобы довести точность позиционирования до сантиметров или даже миллиметров, пользователи могут воспользоваться фазовыми D-GPS-приемниками. Их современные модели, имея связь со стационарной станцией по радиоканалу, передают сведения о своем местонахождении и получают откорректированные данные. Длина волны, на которой ведется передача сигнала со спутника, составляет 19 см. Приемник может измерить время получения сигнала с точностью до 1%. В абсолютном выражении эта величина составит несколько миллиметров.

Для проведения более точных измерений приемник должен идентифицировать волну сигнала со спутника. Современные GPS сопоставляют сигналы от спутников по каналам L-1 и L-2. В системе GPS длины волн отличаются на 85 см, что позволяет проводить измерения с точностью до 8 мм. Надежность такой системы измерения в сотни раз больше, чем у систем, работающих с PRN-кодами. Их предел – 50 см. D-GPS приемники, работающие с одним каналом L-1, обеспечивают точность измерения до 19 см. Дорогие модели GPS имеют возможность повысить точность измерения посредством сопоставления частот сигналов, поступающих по каналам L-1 и L-2. С началом передачи дополнительных сигналов со спутников существенно возрастет точность и надежность работы GPS-приемников. Гражданские пользователи получат доступ к открытой части канала L-2 и новому каналу L-5. В будущем GPS смогут производить сравнение трех пар каналов (L-1 с L-2, L-2 с L-5, L-2 с L-5L).

Полеты с GPS

Какие еще возможности откроются перед пользователями GPS? Федеральное управление гражданской авиации США разрабатывает новые правила полетов с использованием системы GPS. Многие самолеты уже оснащены подобными приемниками, но возможности их использования ограниченны. Новое оборудование позволит производить посадку при нулевой видимости. Однако для этого потребуется, что бы, во-первых, в любой ситуации пилот учитывал, что показания приборов не всегда соответствуют реальному местонахождению самолета, и в экстренных случаях вносил поправки в режим полета. (При посадке отклонение от заданной траектории не должно превышать 10 м.) Во-вторых, авиационные системы должны иметь очень высокую степень надежности.

Представители Федерального управления гражданской авиации США предложили две системы, основанные на базе D-GPS-технологии. В наземную часть комплекса входят приемно-передающие антенны, связанные с центром управления. В 2003 г. появилась сеть наземных станций WAAS, которая позволяет в режиме реального времени корректировать координаты всех пользователей GPS. (Над подобными системами работают инженеры Европы, Китая, Японии, Индии, Австралии и Бразилии.) В случае ошибки WAAS в течение 7 секунд вносит коррекцию в D-GPS-пользователя. Благодаря этому при заходе на посадку пилот может вести самолет до высоты 100 м. В зоне аэропорта экипаж переходит на режим пилотирования с использованием наземного навигационного оборудования.

Со временем навигационные комплексы WAAS, работающие в коротковолновом диапазоне, смогут обеспечить приземление даже при нулевой видимости с использованием канала L-5. Военно-морские силы США разрабатывают для авианосцев систему точного наведения и посадки самолета JPALS, в основе которой лежит принцип D-GPS-системы, работающей с каналами L-1 и L-2. При заходе на посадку и приземлении летчик морской авиации должен контролировать расстояние до палубы авианосца с точностью до 1 м, чтобы специальный крюк на корпусе самолета смог зацепить тормозной канат. Испытания системы JPALS начнутся в 2006 г.

Ученые и инженеры уже трудятся над созданием GPS-системы третьего поколения. Запуск новых спутников произойдет не ранее 2012 г. За счет использования спутниковой связи и установки на них более мощных вычислительных комплексов существенно расширятся возможности системы.

Пер Энге

¹Статья предоставлена ежемесячным научно-информационным изданием "В мире науки". Издание российской версии влиятельного американского журнала Scientific American возобновлено с января 2003 г.