Что такое GPS? – Внедрение системы, принципы работы и практическое применение

С древнейших времён люди пытались разработать различные методы, позволяющие точно определить своё местоположение на поверхности земного шара. Потребность в точности становилась тем важнее, чем чаще и быстрее становились поездки по самым разным причинам во все уголки планеты. На протяжении веков предпринимались многочисленные попытки создать как можно более точную систему, однако из-за недостаточного технологического развития по-настоящему полезными они стали лишь во второй половине XX века, когда космические технологии, в особенности искусственные спутники, позволили создать систему, отвечающую базовым требованиям максимально высокой точности.

Из статьи ниже вы узнаете, что такое GPS и какова история внедрения этого способа ориентирования на карте. Также вы узнаете, каковы принципы работы системы и её практическое применение, а также какие другие типы глобальной спутниковой навигации существуют сегодня. 

1. Что такое GPS?

GPS — это система глобального позиционирования, которая с помощью значительного числа спутников обеспечивает пользователям чрезвычайно точное определение местоположения. Название системы происходит от слов Global Positioning System, что в переводе с английского означает «глобальная система позиционирования». GPS берёт начало в 70-х годах прошлого века, когда американская армия разработала метод чрезвычайно точного определения географического положения объекта путём установления его широты, долготы и высоты. 

1.1. Внедрение системы GPS

Первые попытки создать глобальную спутниковую систему позиционирования были предприняты в 60-х годах, когда военно-морской флот США провёл первые испытания определения местоположения с помощью сигналов, передаваемых спутниками на околоземной орбите. Система под названием Transit дала ограниченные результаты, поскольку имела небольшую зону покрытия, а обновление местоположения происходило через длительные интервалы — примерно раз в час. 

Однако заслуга этой системы состояла в том, что она доказала применимость метода, благодаря чему в 1974 году Министерство обороны США начало создание гораздо более сложной системы, доступной на всём земном шаре, — системы, получившей название GPS NAVSTAR. С 1978 по 1983 год система использовалась исключительно в военных целях, а после этого сигналы спутников стали доступны и для гражданского использования. 

С 1978 года по настоящее время американские ракеты вывели на орбиту 72 спутника различных моделей, из которых 31 активен до сих пор:

• Модель Block I – 11 спутников, использованных для тестирования системы;
• Модель Block II – 9 спутников, обеспечивавших повышенную точность благодаря 4 атомным часам на каждом компоненте системы;
• Block II A – 19 спутников, которые также могли связываться друг с другом для повышения точности позиционирования;
• Block II R – 12 спутников, оснащённых атомными часами гораздо более высокой точности;
• Block II R-M – 8 спутников, формирующих более мощный сигнал, подходящий для высокоточных гражданских применений;
• Block II F – 12 спутников с увеличенным сроком службы и возможностью передачи нового типа сигнала для гражданского использования;
• Block III – 12 спутников, в которых воплощены новейшие достижения космических технологий.

1.2. Принцип работы системы GPS

Принцип работы системы основан на излучении электромагнитного сигнала каждым из спутников, входящих в систему, и приёме и интерпретации данных пользователем с помощью специального устройства. С помощью метода триангуляции, зная точную скорость распространения электромагнитного излучения, равную скорости света, можно с чрезвычайной точностью рассчитать время, необходимое сигналу для прохождения расстояния от спутника до устройства. 

При одновременном использовании сигналов не менее чем 4 спутников (три — для собственно расчёта и один — для контроля) можно триангулировать географическое положение. Покрытие системы глобальное, поэтому пользователи, находящиеся в любой точке земного шара, могут использовать передаваемые сигналы для точного определения своего местоположения. 

Для корректной работы система состоит из трёх различных компонентов:

• Космический компонент — 24 спутника, размещённые на высоте около 20000 км и вращающиеся вокруг планеты по точным орбитам, совершая один оборот за 12 часов;
• Компонент управления — 5 центров управления, задача которых — следить за корректной работой системы и при необходимости вмешиваться;
• Пользовательский компонент — сотни миллионов устройств, способных принимать сигналы, передаваемые спутниками. Эти устройства — как специализированные, так и мобильные телефоны со специальной антенной для приёма сигнала — используются как американской армией, так и различными организациями и частными лицами.

1.3. Преимущества и недостатки системы GPS

Начинавшаяся как система военного назначения, сегодня GPS — это система, дающая многочисленные преимущества для самых разных видов деятельности. Среди этих преимуществ:

• Глобальное покрытие системы (спутники расположены таким образом, что в любой момент по меньшей мере 3 спутника находятся в зоне передачи и приёма сигнала, независимо от местонахождения пользователя);
• Система GPS предоставляет пользователям бесплатный сигнал, а значит, им не нужно платить дополнительный сбор, чтобы пользоваться её преимуществами;
• Сигнал может быть интегрирован в чрезвычайно широкий спектр приложений, например для ориентирования автомобилей в дорожном движении, точной навигации самолётов и судов, расчёта высоты определённой точки, чрезвычайно точного измерения расстояний, получения маршрутов к различным местам, таким как рестораны, банки, автозаправочные станции, или даже для поиска людей, заблудившихся в труднодоступных местах.

Конечно, у системы есть и некоторые недостатки, особенно если учитывать её военное назначение, из-за которого гражданское использование имеет второстепенное значение:

• Армия США может ограничить определение местоположения или даже полностью заблокировать систему в любой момент, если сочтёт это необходимым;
• Сигнал не работает внутри зданий или в зонах со значительными физическими препятствиями на пути электромагнитного сигнала;
• Некоторые атмосферные явления могут препятствовать корректной передаче сигнала;
• Приёмные системы работают от электричества, поэтому устройства должны быть подключены к постоянному источнику питания — без него определить местоположение невозможно.

2. Практическое применение системы GPS

Потенциал системы чрезвычайно велик, а сфер её применения становится всё больше благодаря доступности устройств для приёма сигнала, которые становятся всё меньше по размеру, потребляют всё меньше энергии и имеют доступные цены. 

2.1. Военное применение GPS

Технология GPS появилась по военным причинам: армии США требовался инструмент, позволяющий с высокой точностью определять местонахождение объекта. Эта возможность позволяет военным пользователям получать незаменимые услуги, такие как:

• Навигация. Военная техника и солдаты могут точно ориентироваться в незнакомой местности, что облегчает координацию войск и доставку боеприпасов, продовольствия и другого военного снаряжения;
• Точное наведение с помощью управляемого оружия. Позволяет наносить точечные удары;
• Наведение ракет и других снарядов со встроенными GPS-приёмниками;
• Поиск и спасение солдат, оказавшихся в сложных ситуациях;
• Наблюдение за ядерными взрывами в глобальном масштабе.

Система впервые доказала свою ценность в 1991 году, во время войны в Ираке, когда американская армия добилась особого успеха, во многом благодаря высоким технологиям, использованным в ходе войны. 

2.2. Гражданское применение GPS

Система GPS имеет двойное назначение, поэтому гражданские лица также могут получать доступ к сигналам спутников, выведенных в космос американской армией. Сегодня существуют десятки отраслей, пользующихся огромными преимуществами, которые даёт глобальное позиционирование. Система предоставляет три важных элемента: точное определение местоположения, регистрацию перемещения и точное время между двумя ориентирами. 

Используя эти три преимущества, гражданские лица могут пользоваться различными приложениями, такими как: 

• Точная навигация в режиме реального времени с использованием цифровых карт с глобальным покрытием (для этого существуют как специализированные навигационные устройства, так и приложения для современных мобильных телефонов со встроенными GPS-модулями);
• Мониторинг автопарков с помощью GPS. Транспортные средства коммерческого автопарка можно отслеживать очень точно — для этого используется система мониторинга , которая фиксирует пройденный маршрут, время в пути и скорость автомобилей, что даёт чрезвычайно полезные данные, позволяющие добиться значительной экономии — до 30 % от общих затрат;
• Разработка беспилотных автомобилей, которым не требуется водитель и которые могут самостоятельно добраться в любую точку земного шара;
• Определение местоположения самолётов;
• Точная картография;
• Синхронизация часов с предельной точностью;
• Реагирование на чрезвычайные ситуации, такие как аварии или различные стихийные бедствия;
• Развлекательное использование (игры, основанные на географическом местоположении);
• Геокэшинг;
• В спорте.

3. Типы глобальных спутниковых навигационных систем

Ценность системы глобального позиционирования очевидна, и в этом смысле система GPS стала настоящим первопроходцем. Тот факт, что спутниковая сеть принадлежит армии Соединённых Штатов, приводит к ограничению сигнала как в отношении его точности, так и в отношении использования в различных чувствительных областях. Именно поэтому другие государства и организации разработали собственные системы, чтобы не зависеть от армии США:

• ГЛОНАСС — спутниковая навигационная система, созданная российским государством. По своим возможностям она сопоставима с системой GPS как по глобальному покрытию, так и по точности позиционирования. Система была запущена в 1976 году с выводом на орбиту первого спутника группировки. Сегодня в ней 24 спутника, что обеспечивает полное покрытие сигналом. Правда, точность выше в северных широтах из-за особенностей расположения спутников;

• Galileo — глобальная спутниковая навигационная система, созданная Европейским союзом через Европейское космическое агентство. Система является гражданской, бесплатной и доступной круглосуточно, без возможности искажения сигнала, как в случае с системой GPS или системой ГЛОНАСС. Система работает за счёт 24 действующих спутников, к которым добавляются 6 резервных, уже находящихся на орбите. Из них 22 уже функционируют, передавая сигнал самым разным пользователям — физическим и юридическим лицам и даже учёным;

• Beidou — китайская система позиционирования, начавшая работу в 2000 году с запуском трёх спутников, причём покрытие было только над Китаем и прилегающими районами. За последние 20 лет спутниковая группировка выросла и сегодня обеспечивает глобальное покрытие. Точность системы составляет от 2,6 до 3,6 метра для обычных пользователей и 10 см для военных применений;

• NavIC создана индийским государством и покрывает территорию Индии и Индийского океана. Система включает 8 спутников, обеспечивающих точность от 1 до 3 метров для обычных пользователей и 10 см для военных применений;

• QZSS принадлежит правительству Японии и состоит из 5 спутников, уже находящихся на орбите, к которым в ближайшее время добавятся ещё два. Покрытие ограничено территорией Японии и Австралии.

Государства, участвующие в создании спутниковых систем позиционирования, планируют их модернизацию за счёт запуска более производительных спутников, которые обеспечат исключительную точность, необходимую для современных приложений. 

В заключение: система GPS — чрезвычайно полезный помощник для широкого круга пользователей, которые могут бесплатно пользоваться её преимуществами. Всё больше отраслей используют приложения, работающие на основе сигнала GPS, чтобы повысить эффективность работы и обеспечить безопасное выполнение самых разных видов деятельности.