Вот так всё и устроено.

Глобальную Систему Позиционирования (GPS) называют "созвездием, созданным человеком". Разработанная в недрах DoD'a (Department of Defense), она стала самым главным навигатором в авиации и координатором в геодезии и инженерии.

В общей сложности для этого понадобилось 12 миллиардов долларов денег и несколько десятилетий времени.


GPS представляет собой систему из трёх составляющих. Космический "сегмент" — это 24 спутника, которые вращаются на околоземной орбите на высоте 20 тысяч км со скоростью 7 тысяч миль в час. Орбита каждого спутника 22 200 км, а период обращения — приблизительно 12 часов. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.


Спутники вращаются в шести плоскостях, в каждой из которых — соответственно — по четыре. Таким образом, в идеале (без "ландшафтных" помех) каждая точка Земли и того, что на ней находится, оказывается в зоне обозрения трёх — шести спутников.


Схема расположения 24 спутников. Каждый рассчитан на 10 лет службы, после его заменяют точно таким же

Наземный "сегмент" — это контролирующе-измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Кроме того, в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджалейн). Всем этим заправляют на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base (formerly Falcon AFB) in Colorado). И самый главный персонаж GPS — ресивер, или объект, который находится в центре внимания и которого, собственно, позиционируют.


До гениальности простая идея, лежащая в основе всей системы, заключается в том, что со спутников на объект излучаются радиосигналы, которые в соединении с сигналами других спутников, образуют трёхмерную систему координат, в которой любой объект — статичный или движущийся — обретает точные координаты.


Кроме того, учитывается время, пройденное импульсом с расчётом погрешностей, происходящих в ионосфере, и вычисляется скорость перемещения объекта. "Работа в связке" и стабильность системы таковы, что координаты практически не нуждаются в корректировке.


Один из первых GPS-приемников — MANPACK GPS Receiver. С 1988 по 1993 год было произведено 1400 таких моделей для солдат

Существует масса преувеличений относительно того, что "можно увидеть из космоса". Спутники GPS только кажутся спутниками-шпионами. Конечно, не исключено, что они и это умеют, но максимальное "увеличение" — до 3-5 метров. Они просто не для этого предназначены. Они не приглядываются, а замеряют. А вот разницу между координатами одного объекта за минимальную единицу времени они "почувствуют" лучше любых "шпионов" — GPS безошибочно зафиксирует миллиметр, сделанный влево или вправо.


Идея настолько проста, что её реализацию "тормозила" только неразвитость космонавтики. Естественно, история GPS начинается в 60-х, когда ВМФ и ВВС США устремили свои взгляды в космос. К тому времени вовсю шла разработка новых навигационных систем и приборов, но все они были, как бы сказали сегодня, "несовместимы" — не существовало единой системы позиционирования.


Конечно, дела шли повеселее, чем у первых полярников, которые не могли точно сказать, дошли они до полюса или нет.


В 1973 году была предпринята попытка создать единую систему. Основой новой системы должны были стать так называемые "атомные часы", которые разрабатывались в рамках военно-морской программы TIMATION и являются эталоном времени. ВВС, в свою очередь, взяли на себя разработку Navstar Global Positioning System.


Первый спутник был запущен в 1978 году, а с 1989 года производится запуск спутников нового поколения. Первые одиннадцать спутников двигались совсем по другой орбите, по сравнению с современными, и были предназначена для того, чтобы апробировать систему и показать реальность задачи.


Надо заметить, что проект вёлся достаточно быстро и легко, и единственной неудачей стал спутник, запущенный в 1981 году.


В середине 90-х DoD, наконец, смог официально заявить о том, что система дееспособна. Оставалось понять, кто её будет использовать и на каких условиях. С одной стороны, GPS — информационное оружие, особенно, когда конкурентов нет. С другой, $12 миллиардов и практически безграничный список сфер использования — правительство просто не позволило бы DoD'у сидеть "собакой на сене".


Во-первых, решили разделить "сервисы" для гражданских на две группы: стандартный сервис (Standard Positioning Service) и сервис повышенной точности (Precise Positioning Service).


Стандартное — значит ненаправленное и доступное для целой группы пользователей позиционирование с точностью до 100 метров по горизонтали и 156 — по вертикали. Так называемый "селективный доступ" дозируется военными с помощью приборов зашумления радионавигационного сигнала: проще говоря, глушат.


Учёный использует GPS-приемник для изучения вулкана в Южной Америке

"Спецпозиционирование" проводится с точностью до 22 метров по горизонтали и 27 по вертикали. Гражданам дают так "позиционироваться" лишь в том случае, если информация не вредит интересам США плюс в процессе работы DoD, естественно, может, заниматься проверками и опять же временно глушить сигнал.


В это сложно поверить, что при всех этих мерах безопасности вплоть до 2000 года все данные, предоставляемые гражданским лицам и организациям, содержали небольшую погрешность — метров эдак в 100, о которой, по понятным причинам, никто из клиентов не знал. Видимо, когда стало очевидно, что США теряют монополию на GPS, смысл в этой мере отпал.


Здесь стоит отметить, что используя термин GPS в данном случае, мы позволяем себе определённую вольность. Здесь, конечно, речь идёт лишь об одной GPS — американской — под названием Navastar. Её эксплуатацию и контроль над ней ведёт исключительно DoD. Известны как минимум ещё две крупные GPS, которые, возможно, имеют дело с иным количеством наземных и орбитальных объектов. Это российская GLONASS и GPS Европейского Космического Агентства "Галилей". Правда, "Галилей" ещё не выведен на орбиту.


Конечно, самая важная сфера, которая получила совершенно новые возможности, благодаря GPS, — это транспорт. Например, со временем радионавигация позволит сократить "самолётные" маршруты, уменьшить промежутки между рейсами. Аналогичные нововведения ждут и флот. Причём, с учётом экономии топлива, это означает миллиардную выгоду.


GPS c каждым годом всё интенсивнее используется в геологии, геодезии, картографии и аэрофотосъёмке, гидрографии, планиметрии. В инженерии нет более необходимого прибора, чем GPS-ресивер, который используется для координирования масштабных строительных объектов: мостов, автомобильных шоссе и так называемых протяжённых продуктопроводов. Слова звучат обыденно и по-цементному серо, но вот реальный пример.


В Гонконге стоит (вернее, висит) самый длинный подвесной мост, по которому проходят железная дорогая и шоссе для автомобилей. Его длина — более 4,5 тысяч футов (почти полтора километра). По замыслу архитекторов, мост может выдерживать достаточно большие нагрузки, причём были просчитаны максимальные расстояния, на которые мост может прогибаться и раскачиваться. Известно, что если колебания в сторону моста превысят 15 футов (4,5 метра), то это деформирует стальные тросы, на которых мост держится, что неминуемо приведёт к катастрофе.


Инженеры, которые следят за мостом, установили на мосту 14 GPS-датчиков, которые просчитывают точное местоположение моста в трёх измерениях. Датчики объединены оптоволоконным кабелем, и 10 раз в минуту данные поступают на центральный компьютер.


Полученная информация соотносится с данными по скорости ветра, нагрузкой на мост в определённый период времени. Таким образом, строители могут определить конкретное место на мосту, где нужно произвести ремонтные работы и отрегулировать трафик на мосту.


За мостом Тсунг Ма присматривают из космоса

Инженер Кай-Йен Вонг (Kai-yuen Wong) министерства транспорта Гонконга официально заявляет, что никакая другая технология не смогла бы справиться с этой задачей.


Ещё один пример, когда датчики GPS могут помочь, — исследование водоворотов океанических течений, которые, в частности, имеют отношение к климатическим изменениям. Их диаметр иногда достигает 100 миль, и отследить "жизнь" водоворота с малейшими изменениями уровня воды, иными способами практически невозможно.


Исследовательский спутник Topex/Poseidon, который совместно "эксплуатируют" NASA и Французское Космическое Агентство, занимается изучением флуктуаций воды в местах водоворотов. Но на расстоянии 12 миль от суши полученные данные поступают с помехами.


Кроме того, спутник может наблюдать место водоворота только один раз в 10 дней — таков период его обращения на орбите, но изменения происходят чаще. Таким образом, пришлось обратиться к GPS: на скалах были установлены датчики, которые отслеживают флуктуации в пределах нескольких сантиметров. По мнению учёных, вовлечённых в этот проект, если установить датчики на горных вершинах, холмах и высотных зданиях, то осуществлять контроль над уровнем воды в мировом океане будет гораздо легче.


Ещё одна сфера, где переоценить значение GPS сложно, — сейсмология. Японский Географический Институт (Japan's Geographical Survey Institute) осуществляет проект предупреждения землетрясения при помощи GPS датчиков, размещённых на расстоянии в 15 миль друг от друга в сейсмоопасной зоне. Сейчас используется приблизительно 1000 датчиков-приёмников. Каждый распложен на высоте 15 футов и "контактирует" со спутником каждый 30 секунд.


Датчик в Нагое

Недавно с помощью этой системы были зафиксированы аномальные колебания в районе города Нагоя — четвёртом по количеству жителей городе Японии. Ранее было зафиксировано, что земной пласт, на котором расположен город, смещается на запад в среднем на 3 см в год. С января 2001 года, только благодаря GPS, заметили, что город движется с той же скоростью, но уже в противоположном направлении.


По словам японского геодезиста Макото Мураками (Makoto Murakami), это означает, что в ближайшие годы в этой области возможны сильнейшие землетрясения — повысилась активность земной коры. Кстати, благодаря GPS можно прогнозировать и место землетрясения.


Теперь пару слов о том, какой прок от GPS простому смертному. Предполагается, что в персональный GPS-ресивер можно будет закачивать карту любой местности и по ней перемещаться. Вещь незаменимая, особенно в чужом городе. Другая GPS-перспектива — использование в портативной системе визуализации MARS.


Сегодня самый простой GPS приёмник стоит $100, и преградой для получения радиосигнала могут стать горы, густые леса и прочие плотные "помехи". Самый современный стоит $30 тысяч, и, соответственно, возможности его куда более впечатляющие. Читайте также о том, как правильно выбрать GPS-ресивер.


А в целом, GPS сейчас встраивают во всё, что только можно — от телефона (здесь особенно силён Benefon), плеера до бортового компьютера автомобиля. По России GPS идёт как-то вяло, а в США и Европе позиционирование очень популярно — боятся потеряться?