Система глобального позиционирования

Система глобального позиционирования (GPS, от англ. Global Positioning System) — это спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определение местоположения в трёхмерном пространстве в любой точке Земли (за исключением приполярных областей) при практически любой погоде. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. GPS является одной из двух полностью функционирующих глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) наряду с российской системой ГЛОНАСС.

История создания

Предпосылки и ранние разработки

Необходимость в точном определении координат возникла с развитием авиации и морского флота. Первые спутниковые навигационные системы, такие как Transit (США) и «Циклон» (СССР), появились в 1960-х годах. Они работали на основе эффекта Доплера и обеспечивали точность около 200 метров, но имели существенные недостатки: требовали длительного времени для определения координат (до 10–15 минут) и не работали для подвижных объектов.

Программа NAVSTAR

В 1973 году Министерство обороны США объединило несколько исследовательских проектов в единую программу под названием NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging). Первый экспериментальный спутник был запущен в 1978 году. Первоначально система предназначалась исключительно для военных нужд. Полный развёртывание орбитальной группировки из 24 спутников было завершено в 1993 году, а 17 июля 1995 года система была объявлена полностью функциональной.

Открытие для гражданского использования

В 1983 году после инцидента с южнокорейским пассажирским самолётом Boeing 747 (рейс KAL 007), сбитым советскими ПВО из-за навигационной ошибки, президент США Рональд Рейган пообещал сделать GPS доступной для гражданской авиации. Однако в полном объёме гражданский сигнал был открыт только 1 мая 2000 года, когда по распоряжению президента Билла Клинтона был отключён режим селективного доступа (SA), искусственно снижавший точность для гражданских приёмников. После этого точность гражданского сигнала улучшилась с 100 метров до 10–20 метров.

Принцип работы

Сегменты системы

GPS состоит из трёх основных сегментов:

1. Космический сегмент — орбитальная группировка спутников (обычно 31–32 активных спутника). Спутники находятся на средних околоземных орбитах (высота около 20 200 км) в шести орбитальных плоскостях. Каждый спутник совершает два оборота вокруг Земли за одни звёздные сутки.
2. Сегмент управления — наземный комплекс слежения и управления, включающий главную станцию управления (база ВВС Шривер, Колорадо), несколько станций слежения и антенны для загрузки данных на спутники.
3. Пользовательский сегмент — все приёмники GPS, как военные, так и гражданские, от навигаторов в автомобилях до смартфонов и геодезического оборудования.

Метод определения координат

Принцип работы GPS основан на измерении времени прохождения радиосигнала от спутника до приёмника. Каждый спутник непрерывно передаёт навигационные сообщения, содержащие:

• точное время (на основе атомных часов);
• эфемериды (данные о точном положении спутника на орбите);
• альманах (общая информация о состоянии всех спутников системы).

Приёмник вычисляет расстояние до спутника, умножая скорость света на время задержки сигнала. Для определения трёхмерных координат (широта, долгота, высота) необходимо получить сигнал минимум от четырёх спутников. Четвёртый спутник требуется для коррекции ошибки часов приёмника, которые значительно менее точны, чем атомные часы на спутниках.

Классификация сигналов и служб

GPS предоставляет два основных типа сигналов:

• Стандартный (гражданский) сигнал — L1 C/A (частота 1575,42 МГц). Доступен всем пользователям без ограничений. Современные спутники также передают сигналы L2C, L5 и L1C для повышения точности и помехоустойчивости.
• Защищённый (военный) сигнал — P(Y)-код на частотах L1 и L2. Зашифрован, предназначен для авторизованных пользователей (вооружённые силы США и союзников). Обеспечивает более высокую точность и устойчивость к помехам и подделке сигнала.

Характеристики и точность

Точность гражданского сигнала GPS в штатном режиме составляет:

• по горизонтали: 3–5 метров (с вероятностью 95%);
• по вертикали: 5–8 метров.

С использованием дифференциальных методов коррекции (DGPS, RTK) точность может быть повышена до сантиметрового уровня. На точность влияют такие факторы, как:

• ионосферные и тропосферные задержки сигнала;
• многолучевость (отражение сигнала от зданий и рельефа);
• геометрический фактор (расположение спутников на небе);
• загрубление сигнала в военных целях (в отдельных регионах).

Применение

GPS нашла применение в огромном спектре областей:

• Транспорт и навигация: автомобильная, морская, авиационная, речная навигация. Системы управления движением, мониторинг транспорта, трекинг грузов.
• Геодезия и картография: создание топографических планов, кадастровые работы, сбор данных для географических информационных систем (ГИС).
• Сельское хозяйство: точное земледелие (автоматическое вождение тракторов, дифференцированное внесение удобрений).
• Строительство: контроль положения строительной техники, выверка конструкций, мониторинг деформаций зданий и мостов.
• Спорт и фитнес: трекинг активности (бег, велосипед, лыжи), геокешинг.
• Наука: геофизика (измерение движений тектонических плит), метеорология (определение содержания водяного пара в атмосфере), археология.
• Синхронизация времени: телекоммуникационные сети, энергосистемы, финансовые транзакции — GPS используется как источник точного времени (UTC).

Критика и ограничения

Уязвимость сигнала

Мощность гражданского сигнала GPS крайне мала (эквивалентна 20-ваттной лампочке на расстоянии 20 000 км), что делает его уязвимым для радиопомех и глушения. Известны случаи намеренного подавления сигнала GPS вблизи военных объектов или во время учений. Также возможна спуфинг-атака — подмена ложного сигнала, что может привести к неправильному определению координат.

Зависимость от США

Как система, принадлежащая Министерству обороны США, GPS может быть отключена, загрублена или ограничена в любой момент в одностороннем порядке. Это создаёт стратегические риски для стран, не имеющих собственных ГНСС. В ответ на это были разработаны альтернативные системы: ГЛОНАСС (Россия), Galileo (Европейский союз), BeiDou (Китай).

Технические ограничения

GPS не работает под водой, под землёй, в туннелях и внутри зданий с толстыми стенами. Для решения этой проблемы используются системы позиционирования в помещениях (IPS) на основе Wi-Fi, Bluetooth или инерциальных датчиков.

Альтернативные системы

• ГЛОНАСС (Россия) — развёрнута в полном составе в 1995 году, восстановлена после кризиса 2000-х годов. Обеспечивает глобальное покрытие. Отличается от GPS использованием частотного разделения сигналов.
• Galileo (Европейский союз) — гражданская система, полностью функциональна с 2016 года. Обеспечивает высокую точность (до 1 метра в открытом режиме) и имеет функцию поисково-спасательного сигнала (SAR).
• BeiDou (Китай) — глобальная система, завершившая развёртывание в 2020 году. Включает как спутники на средних орбитах, так и геостационарные спутники, обеспечивающие лучшее покрытие в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
• QZSS (Япония) — региональная система, обеспечивающая повышенную точность в Японии и прилегающих водах за счёт спутников на высокоэллиптических орбитах.

Интересные факты

• Каждый спутник GPS несёт несколько атомных часов (цезиевые и рубидиевые). Стоимость одного спутника составляет около 200 миллионов долларов США.
• Время на спутниках корректируется с учётом релятивистских эффектов: из-за меньшей гравитации и высокой скорости часы на орбите идут быстрее примерно на 38 микросекунд в сутки. Без этой коррекции ошибка определения координат накапливалась бы примерно на 10 километров в день.
• Срок службы спутников GPS нового поколения (GPS III) составляет 15 лет.
• В 2018 году США запустили программу M-Code — новый военный сигнал с повышенной защитой от помех и подделки.

Источники

• Официальный сайт программы GPS (gps.gov) — информация о принципах работы, точности и модернизации.
• Kaplan, E. D., & Hegarty, C. J. (2006). Understanding GPS: Principles and Applications. Artech House.
• Parkinson, B. W., & Spilker, J. J. (1996). Global Positioning System: Theory and Applications. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
• Материалы Федерального космического агентства (Роскосмос) о спутниковой навигации.
• Статья «Global Positioning System» в энциклопедии Britannica.