Глобальная система позиционирования

Глобальная система позиционирования (GPS; от англ. Global Positioning System) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определение местоположения в трёхмерном пространстве (широта, долгота, высота) в любой точке Земли (за исключением приполярных областей) при практически любой погоде. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Полное официальное название — NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). GPS является одной из двух полностью функционирующих глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) наряду с российской ГЛОНАСС.

История создания

Предпосылки и ранние разработки

Идея использования спутников для навигации возникла в 1950-х годах после запуска первого искусственного спутника Земли. Американские учёные Уильям Гайер и Джордж Вейффенбах из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в 1957 году обнаружили, что по доплеровскому сдвигу частоты сигнала спутника можно точно определить его орбиту. Это наблюдение легло в основу первой спутниковой навигационной системы TRANSIT (1960-е годы), которая использовалась для навигации подводных лодок ВМС США. Система TRANSIT обеспечивала точность около 200 метров, но требовала длительного времени для определения координат и не работала непрерывно.

Программа NAVSTAR

В 1973 году Министерство обороны США объединило несколько конкурирующих проектов в единую программу NAVSTAR GPS. Первый экспериментальный спутник серии Block I был запущен 22 февраля 1978 года. Всего до 1985 года было запущено 11 спутников Block I. Полная работоспособность системы (Initial Operational Capability) была объявлена 8 декабря 1993 года, когда на орбите находилось 24 спутника (21 основной и 3 резервных). Полная операционная готовность (Full Operational Capability) достигнута 17 июля 1995 года.

Гражданское использование

Первоначально GPS предназначалась исключительно для военных нужд США. Однако после катастрофы пассажирского самолёта Korean Air Lines Flight 007 в 1983 году, сбитого советскими ПВО после нарушения границы, президент США Рональд Рейган распорядился предоставить гражданским пользователям доступ к сигналам GPS для предотвращения подобных инцидентов. При этом для гражданских сигналов был введён режим селективного доступа (Selective Availability, SA), искусственно снижавший точность до 100 метров. Режим SA был отключён 1 мая 2000 года по распоряжению президента Билла Клинтона, что позволило гражданским приёмникам достигать точности в 5–15 метров.

Принцип работы

Трёхмерная трилатерация

Определение местоположения основано на измерении расстояния от приёмника до нескольких спутников с известными координатами. Метод называется трилатерацией. Для вычисления трёх координат (широта, долгота, высота) теоретически достаточно трёх спутников. Однако из-за необходимости синхронизации часов приёмника с системным временем GPS (часы приёмника значительно менее точны, чем атомные часы на спутниках) требуется четвёртый спутник для коррекции временной ошибки.

Расстояние и время

Каждый спутник непрерывно передаёт навигационные сообщения, содержащие:

• точное время отправки сигнала (по атомным часам спутника);
• эфемериды (точные параметры орбиты спутника);
• альманах (общие данные о состоянии всей группировки и приблизительные орбиты всех спутников).

Приёмник вычисляет время прохождения сигнала от спутника до себя, умножает его на скорость света (299 792 458 м/с) и получает расстояние до спутника. Поскольку часы приёмника не синхронизированы с системным временем, вычисленное расстояние называется «псевдодальностью». Решение системы уравнений с четырьмя неизвестными (x, y, z и временная поправка) позволяет получить точные координаты и время.

Сигналы и частоты

GPS использует несколько частот в L-диапазоне (1–2 ГГц):

• L1 (1575,42 МГц) — основной гражданский сигнал (C/A-код) и военный сигнал (P(Y)-код);
• L2 (1227,60 МГц) — преимущественно военный сигнал, с 2005 года также используется для гражданских целей (L2C);
• L5 (1176,45 МГц) — новый гражданский сигнал повышенной надёжности для авиации и других критических применений (введён с 2010 года).

Орбитальная группировка

Состав и структура

Полная конфигурация GPS предусматривает 24 основных спутника (плюс резервные) на шести круговых орбитальных плоскостях, наклонённых под углом 55° к экватору. Высота орбиты — около 20 200 км (средняя околоземная орбита). Период обращения — 11 часов 58 минут (половина звёздных суток). Такая конфигурация обеспечивает видимость не менее 4 спутников (обычно 6–12) в любой точке Земли в любое время.

Поколения спутников

• Block I (1978–1985) — экспериментальные, выведены из эксплуатации.
• Block II/IIA (1989–1997) — первые серийные, сняты с эксплуатации.
• Block IIR (1997–2004) — модернизированные, с возможностью автономной навигации.
• Block IIR-M (2005–2009) — с новым гражданским сигналом L2C и военным M-кодом.
• Block IIF (2010–2016) — с сигналом L5 и увеличенным сроком службы.
• Block III/IIIF (с 2018) — новейшее поколение с повышенной точностью и защитой от помех.

Точность и погрешности

Факторы, влияющие на точность

• Ионосферная и тропосферная задержка — замедление сигнала при прохождении через атмосферу. Частично компенсируется двухчастотными приёмниками.
• Многолучевость — отражение сигнала от зданий, земли, воды, вызывающее ошибки.
• Эфемеридные ошибки — неточности в передаваемых данных об орбитах спутников.
• Релятивистские эффекты — замедление времени на спутниках из-за скорости и гравитации (требует коррекции часов на 38 микросекунд в сутки).
• Геометрический фактор (DOP — Dilution of Precision) — ухудшение точности при неблагоприятном взаимном расположении спутников.

Типичная точность

• Гражданские приёмники (без коррекции): 3–15 метров.
• С дифференциальной коррекцией (DGPS): 1–3 метра.
• С кинематикой реального времени (RTK): 1–10 сантиметров.
• Военные приёмники (с P(Y)-кодом): менее 1 метра.

Применение

Военное

GPS играет ключевую роль в современных вооружённых силах США и их союзников. Используется для:

• наведения высокоточных боеприпасов (JDAM, крылатые ракеты);
• навигации пехоты, бронетехники, кораблей и самолётов;
• координации подразделений и целеуказания;
• управления беспилотными летательными аппаратами.

Гражданское

• Транспорт — автомобильная навигация, управление движением поездов, мониторинг грузоперевозок, авиационная и морская навигация.
• Геодезия и картография — создание топографических карт, кадастровые работы, мониторинг деформаций земной коры.
• Сельское хозяйство — точное земледелие (автопилоты тракторов, дифференцированное внесение удобрений).
• Строительство — контроль положения строительной техники, нивелирование.
• Наука — изучение тектоники плит, атмосферы (радиозатменный метод), синхронизация времени в научных экспериментах.
• Спорт и отдых — трекинг (бег, велоспорт, лыжи), геокешинг, туризм.
• Синхронизация времени — телекоммуникационные сети, финансовые транзакции, энергосистемы.

Критика и ограничения

Уязвимость

• Радиоэлектронная борьба — сигналы GPS слабы (мощность на поверхности Земли около -160 дБВт) и легко заглушаются или подменяются (спуфинг).
• Зависимость от США — в любой момент правительство США может ограничить или отключить гражданские сигналы (как это было в 1990-х годах в ходе войны в Персидском заливе, когда SA был временно отключён для военных, но гражданские сигналы не блокировались). В 2022 году, после начала конфликта на Украине, Роскосмос сообщил о рисках отключения GPS для российских пользователей, однако официальных подтверждений этому не последовало.
• Отсутствие сигнала в помещениях и под землёй — радиоволны L-диапазона плохо проникают сквозь бетон и грунт.

Альтернативы

• ГЛОНАСС (Россия) — полностью глобальная система, работает с 1995 года.
• BeiDou (Китай) — глобальное покрытие достигнуто в 2020 году.
• Galileo (Европейский союз) — глобальная система, работает с 2016 года.
• IRNSS/NavIC (Индия) — региональная система, покрывает Индийский океан.
• QZSS (Япония) — региональная система, повышающая точность GPS в Японии.

Интересные факты

• Атомные часы на спутниках GPS корректируются с учётом релятивистских эффектов: из-за меньшей гравитации на орбите они идут быстрее на 45 микросекунд в сутки, а из-за скорости — медленнее на 7 микросекунд. Суммарная поправка — +38 микросекунд в сутки.
• Первый гражданский приёмник GPS, выпущенный в 1981 году, весил около 23 кг и стоил более 100 000 долларов США.
• В 1999 году компания Qualcomm разработала технологию Assisted GPS (A-GPS), которая использует сотовые сети для ускорения холодного старта и повышения точности в городских условиях.
• Система GPS используется для прогнозирования землетрясений: сеть станций непрерывно отслеживает смещения земной коры с точностью до миллиметров.

Источники

• Parkinson, B. W., & Spilker, J. J. (Eds.). (1996). Global Positioning System: Theory and Applications. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
• Kaplan, E. D., & Hegarty, C. J. (Eds.). (2017). Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications (3rd ed.). Artech House.
• Официальный сайт Координационного офиса GPS (GPS.gov) — раздел «Public Information».
• Hoffman-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Wasle, E. (2008). GNSS — Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer.
• Доклад Министерства обороны США «GPS Modernization» (2021).