Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

GPS - Точная навигация доступная каждому




Костинский

Создание космической радионавигационной системы глобального позиционирования Global Positioning System (GPS) иногда сравнивают с изобретением секстанта . Дело не только в том, что благодаря GPS координаты объекта определяются с точностью до нескольких метров, но и в дешевизне современных GPS-систем. Благодаря им охотник, рыбак, альпинист может уверенно чувствовать себя в незнакомой местности и даже ненадолго стать картографом.

Чтобы оценить революционность широкомасштабного внедрения GPS кратко коснемся истории навигации.

Иличевский

Некоторые приемы ориентирования по звездам при вождении судов были известны уже египтянам и финикийцам. Современная навигация начиналась с изобретения в 11 веке компаса, который использовался для определения курса судна. В 16 веке появились карты в прямой равноугольной цилиндрической проекции, что позволяло гораздо точнее ориентироваться и привязывать к карте движение корабля. В 19 веке изобрели механический лаг. Он сбрасывался за борт, и по тому какой длинны веревка в заданный промежуток времени оказывалась в воде, определяли скорость движения. В начале 20 века успехи физики позволили создать электронавигационные приборы и радиотехничес кие средства судовождения.

Костинский

Обычно штурман прокладывал на карте курс корабля от известной точки, вычисляя новые координаты, пользуясь компасом, судовым лагом, а также данными о течении, волнах и ветре. Новую точку на карте называли счислимым местом судна. Но как бы скрупулезно ни велось счисление, оно всегда расходится с реальным расположением из-за ошибок в показаниях приборов и неточностей методик расчета. Поэтому необходимо периодически сверять координаты судна с наземными ориентирами или по небесным светилам.

Заметим, что вплоть до середины 18 века из астрономических наблюдений умели определять только широту места. Точный метод определения долготы, вошёл в практику лишь во 2-й половине 18 века, когда был сконструирован хронометр.

Иличевский

С развитием авиации, ракетостроения, космонавтики задачи навигации значительно усложнились. Появились так называемые инерциальные навигационные системы, которые включали в себя гироскопические устройства, задававшие систему координат и измерители ускорений. Вычислительные устройства в них, подобно морскому штурману, прокладывают курс, учитывая еще и высоту полета. Преимущество инерциальных систем автономность и мощная помехозащищенность, что важно для экстремальных условий и военных приложений. Но также, как и при морском счислении курса, из-за неточностей приборов и методик расчета со временем набегает значительная иногда не допустимая ошибка. За час полёта даже лучшие образцы инерциальных навигационных систем при определении координат накапливают погрешность от одного до пяти километров. Для исправления ошибок необходимо периодически привязываться к астрономическим объектам или радионавигационным системам с известными координатами. Но при значительных расстояниях и эти системы не могут обеспечить точность определения места лучше, чем один километр.

Костинский

Естественным продолжением радионавигации стал вынос радиомаяков на космическую высоту. При этом несколько спутников могут обеспечить определение координат практически по всему земному шару. Именно эта идея легла в основу создания системы глобального позиционирования GPS.

Ее разработка началась в декабре 1973 года. GPS предназначалась для высокоточного и всепогодного определения местоположения любых объектов в космосе, над землей, на суше и на море в интересах военно-промышленного комплекса США. Она представляет собой развернутую на высоте около 20 тысяч километров сеть из 27 навигационных спутников, облетающих планету за 12 часов. Основные компании разработчики - Rockwell, Lockheed Martin и Boeing Information Services.

Принцип действия системы основан на том, что GPS-приемник определяет свое местонахождение методом триангуляционного пеленга, пользуясь информацией о времени и расстоянии, получаемой с трех или более спутников.

Иличевский

Детство у GPS было трудное. Она претендовала на территории, занятые хорошо разработанными навигационными технологиями. Кроме того, подразумевалась широкомасштабная переподготовка в ключевых родах войск, что наталкивалось на консерватизм военных. Вначале командный состав ВВС просто отказывался применять GPS, ссылаясь на ее чрезмерную дороговизну. Руководство военно-морского флота США также было категорически против внедрения новой спутниковой навигационной программы, предпочитая довольствоваться испытанными методиками. Серьезным ударом по GPS стала трагическая гибель, отклонившегося от курса южнокорейского "Боинга-747", сбитого над Татарским проливом советским истребителем. На самолете была установлена именно такая навигационная система. Под давлением этих обстоятельств Пентагон отказался от полномасштабной поддержки спутниковой группировки и, чтобы ее как-то спасти GPS была рассекречена.

Костинский

И тут произошла удивительная вещь - коммерческий интерес гражданских разработчиков довершил усилия военных инженеров и система стала стремительно усовершенствоваться и расти. Тут трудно удержаться от аналогии с Интернетом, тоже когда-то запущенным оборонным ведомством США, который после передачи технологии коммерческим структурам захватил весь мир. Нечто подобное происходит и с GPS.

По оценкам некоторых специалистов, объем продаж этих устройств в 1997 году превысил 3 миллиарда долларов, причем всего 90 миллионов приходились на военный сектор. Приемники GPS и соответствующее оборудование выпускают, по крайней мере, 120 американских компаний. Среди них : Trimble Navigation, Magellan Systems, Motorola, Rockwell и Honeywell. Цены на GPS - устройства снижаются примерно на 30 процентов в год, дойдя до уровня 100 долларов для карманных приемников.

Иличевский

Но это не означает, что военные отказались от GPS. Оператором системы по- прежнему является министерство обороны США. Главная станция наземного контроля находится на военно-воздушной базе Falcon, штат Колорадо. И не удивительно, ведь доведенная гражданскими специалистами до совершенства система навигации начала свое триумфальное шествие по миру, сыграв решающую роль в операции «Буря в пустыне».

Всего в боевых действиях использовалось более 9 тысяч коммерческих GPS-приемников, изготовленных компаниями Magellan и Trimble Navigation.

Оборудование космической радионавигации с успехом использовалось для корректировки воздушных налетов и продемонстрировала свою особенную незаменимость при переброске через пустыню танковых соединений.

Костинский

Как выяснилось, столь скорая и безоговорочная победа армии союзников НАТО в операции против Иракской армии в 1991 году была бы невозможна без навигационных устройств GPS.

Первый пехотный дивизион армии США атаковал республиканскую гвардию Саддама Хусейна и бригаду регулярной армии Ирака 26 февраля 1991 года в 10 часов вечера, в кромешной темноте.

Чтобы выйти на атакующий рубеж, Первому пехотному дивизиону, несмотря на плохую видимость из-за дождя и песчаного взвеси, требовалось в кратчайший срок передислоцироваться на 50 миль к северу. Такой марш-бросок был совершен в кратчайшие сроки, благодаря тому, что каждая группа из 14 танков имела один или два навигационных GPS- приемника.

Когда до иракских танков оставалось чуть меньше 4 километров, их изображения появились на видеотерминалах американских M-1. Через минуту было поражено большинство иракских машин.

Переход таких крупных военных сил на столь дальнее расстояние, совершен ный так стремительно и с такой точностью, во многом предрешил исход войны.

Иличевский

После войны в Персидском заливе система навигации GPS использовалась едва ли не в каждом военном конфликте.

Например, капитан американских ВВС Скотт О'Греди сбитый над Боснией в июне 1995 года, во многом обязан спасением системе GPS. В течение шести суток капитан скрывался на неприятельской территории.

Приемник GPS был вшит с изнанки в летный костюм. О'Греди требовалось передать спасательной группе свои координаты с точностью до мили. Но традиционные методы определения места по карте позволяли их вычислить с погрешностью в пять миль. Выручил GPS-приемник, который обеспечил точность в несколько метров.

Военные успехи послужили хорошей рекламой гражданским GPS-системам. С начала 90-х годов прикладная спутниковая навигация стала широко продвигаться на мировой, в том числе и российский, гражданский рынок. Окончательный ввод гражданского сектора GPS был завершен в 1995 году.

Костинский

Однако различия между военной и гражданской версией системы оставались. Уж очень не хотелось Пентагону дать каждому желающему такой точный инструмент в руки. Предусмотрены два диапазона передачи информации со спутников: военный, с длиной волны от 7 до 10 метров, гражданский от 70 до 100. Отличаются они и по мощности сигнала. Причем специалисты министерства обороны США умышленно искажали "гражданский" сигнал. Эта процедура получила название выборочной доступности (selective availability). Точность определения объекта, которую обеспечивала гражданская модификация GPS была около сотни метров. Но в мае 2000 года президент США Клинтон распорядился снять все помехи с гражданского сигнала и теперь точность определения координат ЛЮБЫМИ GPS-приемниками при нормальных условиях в пределах 5 до 15 метров.

Иличевский

Успехи системы привели к разработке программы ее модернизации, кото рую осуществляет Объединенный программный комитет GPS (Joint Program Office). Общий объем инвестиций оценивается в 20 миллиардов долларов и направлен не только на увеличение надежности, но и на расширение спектра применений технологии.

Новые 30 спутников GPS увеличить мощность сигнала до 800 Вт, что одновременно увеличит помехоустойчивость и снизит уязвимость системы при попытке перехвата координирующего сигнала.

Костинский

Но, конечно, гораздо более интересны мирные применения GPS. Вот некоторые из них.

Космическая навигация уже широко применяется в разных странах городскими, аварийными и службами чрезвычайных ситуаций. В Миннесоте и Висконсине авиация неотложной санитарной помощи устанавливает приемники GPS на приборных панелях вертолетов "скорой помощи", что позволяет пилоту мгновенно сориентироваться над лесной глушью.

В столице Аризоны Фениксе и в Сан-Франциско, системы GPS используют экипажи службы спасения. Это сократило среднее время прибытия на место происшествия на две минуты. Возможно, это те самые две минуты, которые часто оказываются решающими во многих экстренных ситуациях.

Иличевский

Канадские ученые с успехом применили сеть жестко привязанных к ландшафту GPS-приемников, расположенных в Швеции и Канаде, для определения скорости и направления движения тектонических пластов. С ее помощью исследователям удалось опровергнуть гипотезу о том, что Скандинавскому полуострову угрожают катастрофические перемещения земной коры. Считалось, что скорость движения земной коры в этом районе может возрасти в любой момент. Геофизики, используя высокоточную технологию GPS, опровергли подобное предположение, доказав, что Скандинавский полуостров наиболее стабильный регион в мире. Исследователи считают, что их работа может оказаться чрезвычайно важной для оценки тектонической активности региона, которая необходима при возведении особо опасных промышленных объектов например, атомных электростанций.

Костинский

Все шире используются системы GPS в автомобильной промышленности. В бртовые компьютеры машин заносится карта местности и при желании можно наблюдать за своим движением. Поэтому, корпорация General Motors в этом году рассчитывает установить около 1 миллиона GPS-систем OnStar на свои автомобили. Таким образом, создается эффективная противоугонная система.

Многие компании собираются использовать GPS-технологию в рекламе. Когда GPS будет широко использоваться в сотовых телефонах, органайзерах и бортовых компьютерах автомобилей путешественники смогут находить на карте путь к ближайшему ресторану или гостинице и даже бронировать номер «на ходу».

Пожалуй, самое широкое применение получит GPS при отслеживании грузов. В эпоху электронной коммерции, когда заказ осуществляется через Интернет, продавцу, да и покупателю важно следить за передвижением груза. Это не только успокаивает, но и позволяет лучше планировать работу складских и транспортных подразделений фирмы, что особенно важно для дорогих и опасных грузов.

Иличевский

Но у GPS есть соперники, особенно в крупных городах, где уже несколько лет операторы беспроводных телефонных систем разрабатывают «сетевые решения» для определения координат по сигналам сотового телефона на близлежащие ретрансляторы. Для определения местонахождения телефона используется время, в течение которого сигнал достигает двух ближайших сот. Федеральная комиссия США по связи предъявляет к навигационным системам требование успешно определять местонахождение двух третей абонентов с точностью не менее 125 метров. Это необходимо, чтобы службы спасения могли определять координаты людей, попавших в экстремальную ситуацию, а полиция разыскивать преступников. Операторы сотовых сетей планируют запустить подобные навигационные системы к 2002 году. Скорее всего, спутниковая GPS и метод определения координат по сигналам сотовых телефонов, будут не столько соперничать, сколько дополнять друг друга. В городе, особенно среди высотных зданий, GPS сигналы принимаются ненадежно, зато частая сетка с отовых ретрансляторов вполне удовлетворительна. Зато в отдаленной местности, не говоря уже о пустынях, морях и океанах спутниковые системы становятся простыми, универсальными и точными методами определения координат.

Надо подчеркнуть еще одно преимущество GPS по сравнению с сотовыми методами позиционирования. GPS может работать, не передавая свой сигнал на спутник, и пользователь, таким образом, остается неизвестен системе. В сотовых сетях, естественно, используется двусторонний сигнал, что порождает проблемы юридического характера. Правозащитные группы, борющиеся за сохранение приватности при пользовании электронными сетями, предупреждают, что со стороны государственных спецслужб возможны злоупотребления, чему масса примеров, начиная с подслушивания обычных телефонов без санкций судебных органов.

Костинский

Но, пожалуй, самое интересное, что пользоваться точной системой определения координат может теперь практически любой человек и ему для этого не нужна солидная специальная подготовка, как было несколько десятков лет назад.

Сегодня можно свободно приобрести простейшие радионавигационные приемники SCOUT, MAGELLAN или HUNTER размером с микрокалькулятор. Благодаря развитию микропроцессорной техники такие миниатюрные устройства сами проводят все не обходимые вычисления. Они могут связываться с персональным компьютером или ноутбуком и загружать в память карту местности. После этого на дисплее автоматически через заданный промежуток времени отображается местонахождение пользователя. Заслуживает внимания комбинация GPS-приемника с карманным компьютером, например Palm. http://www.palmq.net/sections.php?op=viewarticle&artid=35#gps

Иличевский

Системы GPS стали настолько доступны, что их можно купить даже в московских магазинах. Пожалуй, самый впечатляющий пример это GPS, встроенная в наручные часы.

Около года назад японской компании Casio удалось поместить GPS приемник в часы (модель PAT-1GP). В январе 2001 года Casio выпустила в продажу новую модель SATELLITE NAVI PAT-2GP. Часы были признаны мощным и полезным инструментом и быстро привлекла внимание любителей "активного образа жизни", став элементом субкультуры.

Новая модель развивает первоначальную концепцию. Она работает от встроенного перезаряжаемого литий-ионного аккумулятора. Благодаря использованию микросхем с более плотной интеграцией элементов, часы стали значительно меньше по размерам и почти вдвое легче - весят они чуть более 80 грамм, выглядя не намного больше, чем известная модель G- shock. И, наконец, у часов, как у их более увесистых аналогов, появилась возможность связи через последовательный порт с персональным компьютером для передачи и обработки GPS-данных.

Костинский

Программное обеспечение позволяет пользователям загружать и просматривать на компьютере карты местности. Кроме того, можно спланировать начало пути, установить контрольные точки и место назначения, а затем загрузить карту из компьютера обратно в часы.

Питаются часы от встроенного аккумулятора. Для его зарядки в полевых условиях используется специальное устройство, работающее от шести батареек. Одной зарядки аккумулятора хватает примерно на 140 измерений. Он может работать три с половиной часа в автоматическом режиме или около 70 минут в режиме непрерывного определения координат.

Часы водонепроницаемы и не боятся дождливой, сырой погоды.

Любопытно наблюдать на таком маленьком устройстве "многооконный" режим, когда одновременно видишь различные координаты, текущее время и компас. Кроме того, часы подают звуковой сигнал при приближении на заданное расстояние к конечной точке маршрута.

Иличевский

Одновременно они исключительно точны, так как во время каждого сеанса приема сигнала с GPS-спутников часы автоматически устанавливают истинное время.

Они измеряют не только долготу и широту, но и высоту над уровнем моря, выполняя функции альтиметра. Для этого приемнику часов необходимо запеленговать не менее 4 спутников. Это делает их полезными для альпинистов, парашютистов и любителей покататься на воздушных шарах.

Костинский

Память часов вмещает до 200 точек, каждой из которых присваивается 16-символьное имя, долгота, широта и высота, а также иконка.

Работать с часами весьма просто: при переключении в режим GPS на дисплее появляются координаты последней измеренной точки.

В режиме измерений через несколько секунд при завершении приема и обработки данных подается звуковой сигнал, сообщая текущие координаты.

При нажатии на курсорные клавиши на дисплей выводится карта заданного и пройденного пути, направление на контрольную точку и расстояние до нее, а, если приемник переведен в режим непрерывного пеленга скорость движения и азимут.

Иличевский

Конечно, часы довольно малы. В автомобиле или в здании приемник работает только вблизи окон, а лучше высунуть руку в окно. Причем точность таких измерений оказывается хуже достижимой. В городе помехой для измерений являются высокие здания, а в лесу листва.

Хотя часы еще не слишком надежны, но все-таки игрушкой их уже назвать нельзя. Стоят они не мало около 400 долларов, но если вспомнить, что системы по добной точности и надежности совсем недавно стоили десятки тысяч долларов, то нельзя еще раз не удивиться тому скачку, который совершают цифровые технологии на наших глазах, предоставляя еще недавно уникальные сервисы практически любому желающему.

Костинский

С GPS каждый может стать картографом, изготовив, например, карту своего дачного поселка. Но стоит помнить, что после того, как Клинтон приблизил точность гражданской и военной GPS, все обладатели подобных систем в России оказались в конфликте с законом, так как точность измерений увеличилась с разрешенных 100 метров до, по крайней мере, 10. Правда, таких коллизий в нашем законодательстве много и на них редко обращают внимание.

Все ссылки в тексте программ ведут на страницы лиц и организаций, не связанных с радио "Свобода"; редакция не несет ответственности за содержание этих страниц.

XS
SM
MD
LG