Тема навигации и определения собственного местоположения на планете давно занимает «TechInsider». Мы подробно разобрались с атомными часами (август 2003), морскими хронометрами (ноябрь 2003), с определением курса по звездам (июль 2004) и определением направления на север при помощи часов и солнца (апрель 2004). Пришло время разобраться с современными методами, а именно – с GNSS (глобальной спутниковой навигационной системой)
Строго говоря, единой системы еще не существует, но ее прообраз — две основных системы (GPS и ГЛОНАСС) и несколько вспомогательных (EGNOS, WAAS, MSAS, CWAAS, GAGAN, SNAS и LAAS — расшифровка и описание в таблице) — уже помогают путешественникам, морякам, летчикам и военным «найти свой путь в тумане».
Как все начиналось
Идея глобальной спутниковой группировки, по сигналам которой можно было бы определять свое местоположение и скорость, пришла ученым из Applied Physics Laboratory (APL) при университете имени Джонса Хопкинса (Мэриленд) в 1957 году, вскоре после того, как СССР запустил первый искусственный спутник Земли. Проект назывался TNSS (спутниковая навигационная система «Транзит») и был сдан в эксплуатацию в 1964 году. Сначала «Транзит» использовали только военные моряки, но в 1967 году к нему допустили и гражданских пользователей. Система прожила до 1996 года, и на протяжении трех десятилетий 99,86% времени служила без сбоев. На «Транзите» были отработаны основные элементы современных спутниковых навигационных систем: созданы сверхточные источники времени, расположенные на спутниках, и предложено вещание на двух частотах для преодоления эффекта рассеивания сигнала в атмосфере Земли. Ответом СССР послужила аналогичная, в целом, система «Цикада». Обе системы обладали общими недостатками — сеанс определения длился от 5 до 15 минут, спутников было мало, из-за чего приходилось ждать сеанса от получаса до двух часов, да и точность определения — 70−100 м — оставляла желать лучшего.
Разработка GPS (глобальной спутниковой навигационной системы) началась в APL в 1973 году. Первый спутник будущей системы был запущен в 1978-м, а вся система вошла в строй в 1994 году. Когда началась разработка ГЛОНАСС — это тайна, покрытая мраком, но первый спутник (Космос-1414) был запущен в 1982 году, а систему объявили работоспособной в 1996-м. Системы GPS и ГЛОНАСС довольно похожи, и принципы их работы мы будем обсуждать на примере GPS, так как она гораздо более открыта.
Как это работает
Мы специально опросили коллег и знакомых и пришли к выводу: хотя многие из них думают, что понимают принципы работы GPS, цельной картины нет практически ни у кого. Итак, на высоте примерно 20 200 км над уровнем моря летают 24 основных спутника, которые разбиты на шесть орбитальных плоскостей, а чуть в стороне от них — 3 дополнительных спутника. Плоскости обозначаются буквами от A до F, а спутники в каждой из плоскостей нумеруются от 1 до 4. Все спутники (называются они Navstar) сделаны в лабораториях компании Rockwell. Каждый весит чуть больше 850 кг и совершает полный оборот вокруг земного шара примерно за 11 часов 58 минут. Размер спутника с полностью раскрытыми солнечными батареями — чуть больше 5 м. Наземному наблюдателю одновременно видно от 4 до 12 спутников (поэтому и приемники бывают от «4-канальных» до «12-канальных»). Каждый спутник передает на двух частотах — L1 (1575.42 МГц) и L2 (1227.60 МГц) цифровой сигнал, который представляет собой псевдослучайную последовательность (p-код), причем каждый спутник имеет свое «зерно» для генератора псевдослучайных чисел. Кстати, приемник идентифицирует спутник, отправивший сигнал, исходя как раз из содержимого принятой последовательности...
Но хватит фактов. Рассмотрим, как это все применяется в жизни, то есть что происходит внутри GPS-приемника.
Вначале любопытный факт — все слышали, что «систему вещания CDMA придумали американские военные». Но мало кто отдает себе отчет, что ее придумали специально для использования в проекте Navstar-GPS. В CDMA все передатчики вещают на одной и той же частоте, но их сигналы не мешают друг другу (мы подробно расскажем про CDMA в одном из следующих номеров). Таким образом, у гражданского приемника GPS всего один радиомодуль (у военного — два, так как он должен принимать и сигнал на второй частоте). Из этого следует, кстати, что количество «каналов» приемника (их бывает от 4 до 12) зависит исключительно от мощности использованного процессора.
Cначала приемник регистрирует передачу со спутника и фиксирует в памяти от 4 до 12 последовательностей (в зависимости от числа своих «каналов»). Это просто нули и единицы, что с ними делать? Приемник «смотрит» на свои часы. Важно понимать, что часы у приемника неточны по определению, и впоследствии потребуется корректировка времени. Затем приемник вычисляет p-код для всех 24 спутников (назовем эти последовательности эталонными), исходя из своих представлений о текущем времени. Затем каждую принятую последовательность он как бы «двигает» по временной шкале относительно эталонных последовательностей до тех пор, пока они не сойдутся. Когда это происходит, GPS-приемник немедленно получает сразу два факта: во-первых, он определил спутник, пославший сигнал, а во-вторых, понял, сколько времени заняло путешествие сигнала от спутника, исходя из представлении о времени приемника. То есть теперь приемник знает, какие спутники он увидел и какова задержка для каждого из них. Например (все цифры, выдуманы): A4 (0,066023452 с), C3 (0,065993221 с), C4 (0,065990011 с), F2 (0,066002985 с).
Для определения своего местоположения нам нужно знать не только расстояние до каждого из спутников, но и их точное положение. Но откуда известно, где именно в момент передачи сигнала находился данный спутник? Ответ на этот вопрос очень прост. Астрономия — точная наука, и все орбиты спутников GPS прекрасно известны. Приемник всегда «знает», в какой именно точке находится любой из спутников — эти данные хранятся в его памяти. Но дело, конечно, не только в астрономии. Американские военные ведут за спутниками постоянное наблюдение, и, если орбита изменилась, пускай даже на самую малость, со станции управления приходит команда внести временную поправку в излучаемый сигнал, чтобы компенсировать зафиксированные отклонения.
После этого происходит так называемая спутниковая триангуляция. Для этого на плоскости нужны две точки, а в пространстве — три. Радиосигнал распространяется во все стороны, так что представим вокруг каждого из трех спутников сферу, радиус которой определяется временем, прошедшим с момента передачи сигнала. Две сферы пересекаются в пространстве, образуя кольцо, а три сферы пересекаются только в двух точках, причем лишь одна из них может находиться на разумном расстоянии от поверхности Земли. На рисунке показан пример спутниковой триангуляции. Затем в ход идет школьная физика: скорость света умножаем на время, затраченное сигналом на преодоление расстояния от спутника до приемника. Но для точного замера времени необходимо, чтобы часы приемника и передатчика были жестко синхронизированы. Ведь даже если часы приемника спешат (или отстают) всего на 0,001 с, погрешность будет в районе 300 км! Как этого добиться? Когда проектировали GPS, никто и не мечтал о карманных атомных часах (их, кстати, сделали только в конце 2004 года), а традиционные атомные часы стоят от 50 до 100 тысяч долларов и никак не подходят для ношения с собой. Как быть?
И только теперь в игру вступает четвертый спутник (зачем бы еще система обеспечивала видимость по крайней мере четырех спутников в любой момент времени, в любой точке земного шара?!). Но для простоты на время забудем, что мы имеем де"