Изначально навигационная спутниковая система NavStar GPS предназначалась исключительно для военного применения: например, для определения точных координат подводных лодок при запуске межконтинентальных баллистических ракет.
Но с 70-х годов все изменилось. Сейчас без GPS сложно представить нашу жизнь. Давайте чуть коснемся истории и посмотрим, как 32 вращающихся по орбите спутника повлияли буквально на все вокруг.
Как появилась GPS
4 октября 1957 года СССР запустил аппарат «ПС-1» — первый искусственный спутник Земли. Он проработал 92 дня и совершил 1440 витков вокруг планеты, непрерывно излучая «бип-бип-бип» с периодом 0,3 секунды попеременно на частотах 20 и 40 МГц. Это было сделано неслучайно: многие радиоприемники прекрасно принимали такой сигнал без доработок. Настоящий триумф научной мысли, которым могли наслаждаться миллионы радиолюбителей. Как писал Рэй Брэдбери:
«Тот маленький огонек, прочертивший небо от края до края, был будущим для всего человечества»
Да, немного пафосно, но по сути так и есть. Однако «не только лишь все» просто принимали сигнал — еще его тщательно изучали американские инженеры. На то были причины: Министерство обороны США было в полном шоке. И прежде всего его руководство пыталось понять, как СССР сможет использовать спутники в военных целях.
Ричард Кершнер, работавший с 1955 года над разработкой двухступенчатой ракеты UGM-27 Polaris для атомных подводных лодок «Джордж Вашингтон», бился над проблемой точного наведения. Для этого нужно было знать не только местоположение цели, но и самой субмарины в данный момент времени. И чем точнее, тем лучше.
Кершнер в течение нескольких дней фиксировал сигналы «Спутника-1», и вместе с коллегами обратил внимание на интересную особенность. Если ИСЗ отдалялся от приемника, то частота сигнала снижалась, а если приближался — увеличивалась. Что за ерунда? Ответ пришел достаточно быстро: скорость вращения составляла 7935 м/с, и в дело начинал вступать эффект Доплера.
Другими словами, по частоте сигнала относительно расположения приемника можно точно отследить положение спутника на орбите. Да, интересно — но что еще?
С другой стороны, орбита спутника в принципе хорошо известна, а данные телеметрии легко передаются на Землю. А что, если попробовать наоборот: отталкиваясь от известных характеристик полета в определенный момент времени, по сдвигу частоты сигнала определить положение приемника? Причем это будет абсолютная величина, ведь положение ИСЗ все время меняется.
Кершнер рассказал о своем открытии военным, и в 1958 году агентство ARPA, занимающееся перспективными исследованиями, приступило к разработке системы Transit. И в срочном порядке: СССР спустя месяц запустил на орбиту «Спутник-2», уже с собакой Лайкой на борту. По сути, запуск был поставлен на поток — и это был вопрос времени, когда советские инженеры смогут реализовать подобную систему для навигации своих субмарин.
В сентябре 1959 года был запущен первый спутник Transit 1A ракетой-носителем Thor-DM18 Able-2. Из-за сбоя аппарат не вышел на расчетную орбиту. Однако для проверки концепции даже этого было достаточно.
В апреле 1960 года его копия Transit 1B все-таки была выведена на запланированную орбиту и продемонстрировала эффективную работу: по доплеровскому смещению радиосигнала можно было вычислять местоположение приемной станции с точностью до 200 метров. Одновременно расхождение по времени достигало порядка 50 мкс (микросекунд) для синхронизации. Вещание велось на частотах 150 и 400 МГц.
Было проведено несколько несколько наземных испытаний на стационарной станции в Лореле, штат Мэриленд. После этого нужно было проверить работоспособность непосредственно на подводной лодке. Для этого компанией Ramo-Wooldridge был разработан компьютер AN/UYK-1 — весом 250 кг, габариты устройства позволяли ему пройти через круглый люк и разместиться в рубке управления. Компьютер позволял в течение 10-15 минут обработать радиосигналы по методу наименьших квадратов со спутника и рассчитать по доплеровскому смещению координаты с заданной точностью, с учетом поправки на текущую скорость корабля и прочие факторы. Более подробно алгоритм расчета можно посмотреть по ссылке.
В течение следующих четырех лет на орбиту вывели еще 12 спутников, и в 1964 году система официально была запущена в действие. Дополнительные спутники выводили на орбиту вплоть до 1988 года.
Однако в лаборатории Aerospace Corporation посчитали, что систему можно сделать более эффективной — для работы Transit в приемниках требовались очень точные атомные часы. Для военных это, может, и приемлемо, но для гражданских применений это приведет к неоправданно высокойстоимости приемных устройств. Чтобы уйти от этого, в 1962 году под руководством доктора Ивана Геттинга начались разработки в рамках секретного «проекта 621-B».
Суть заключалась в том, чтобы разместить точные атомные часы непосредственно в спутниках, а определять местоположение, ориентируясь на показания четырех ИСЗ методом триангуляции. Грубо говоря, по времени получения сигнала от трех спутников со строго известными координатами (при этом положение и синхронность отсчета времени постоянно контролируется на наземных станциях, а скорость света известна), можно определить местоположение объекта. А четвертый спутник позволяет синхронизировать время на приемном устройстве и повысить точность измерения — более подробно принцип работы спутниковой системы навигации описан здесь.
А чтобы связь была доступна в любой точке Земли, потребуется 24 спутника, которые будут вращаться в шести орбитальных плоскостях — по четыре на каждую плоскость, на высоте 20 200 км.
В 1967 и 1969 годах для проверки предложенной концепции были запущены спутники Timation-1 и Timation-2. В ходе испытаний проверялась не только связь на частотах 335 и 1580 МГц, но и работа самых современных на тот момент кварцевых генераторов. В 1974 году был запущен спутник NTS-1, на борту которого уже использовались атомные рубидиевые часы FRK. Их точность показала, что именно такой вид часов будет использоваться во всех будущих спутниках.
В процессе тестирования аппаратов появилось множество вопросов. Например: в каком виде передавать данные со спутников с учетом многочисленных помех и как кодировать сигнал, например, для военных целей? Для этого была реализована концепция CDMA (множественного доступа с кодовым разделением каналов), известная еще с 50-х годов. И дополнительно доктор Роберт Голд разработал алгоритм псевдослучайных последовательностей, известных как «коды Голда».
Дополнительно инженеры столкнулись с проблемой задержки радиосигнала при прохождении ионосферы. Чтобы решить ее, была разработана математическая модель Клобучара. Она позволяла корректировать ошибку, не перегружая информационный канал связи со спутниками и не усложняя обработку сигнала на приемных устройствах. В целом, к 1974 году все основные вопросы по работе будущей системы спутниковой навигации удалось решить.
В ноябре 1972 года полковнику ВВС Брэдфорду Паркинсону поручили курировать программу спутниковой навигации. Он возглавил команду по разработке концепции, основанной на проектах TRANSIT, Timation и 621-B. В 1973 году была утверждена концепция оборонной навигационной спутниковой системы DNSS, которую позже переименовали в Navstar.
Разработка стартовала в 1974 году и включала не только создание самых современных спутников, оснащенных атомными часами и системами ориентации солнечных панелей, но и постройку наземных станций для обмена данными со спутниками. К разработке привлекли компанию Rockwell International.
В 1977 году запустили спутник NTS-2, а в 1978 году — первый экспериментальный спутник Navstar GPS Block I. К концу года на орбиту вывели еще три спутника — это позволило провести ряд испытаний по определению координат на Земле по методу триангуляции. Подтвержденная точность достигала 10 метров. К 1985 году функционировало уже девять спутников — система уже активно использовалась в военных целях.
Вещание велось на двух несущих частотах L-диапазона: 1542 МГц (L1) и 1228 МГц (L2). Передача данных телеметрии и синхронизация с Землей велась в S-диапазоне. Солнечные батареи с обеих сторон аппаратов обеспечивали выработку до 400 Вт, параллельно заряжая никель-кадмиевые батареи для непрерывной работы.
Модульная конструкция позволяла сохранять ориентацию спутника на Землю благодаря гироскопам и RW-маховикам, одновременно обеспечивая перпендикулярный угол наклона солнечных панелей по отношению к направлению солнечных лучей. Дополнительно на борту располагались четыре комплекта атомных часов — два цезиевых и два рубидиевых, что повышало надежность в случае отказа одного из них.
В 1989-1993 годах была запущена еще партия модернизированных спутников Block II и Block IIA, что позволило довести количество спутников на орбите, вращающихся в шести орбитальных плоскостях с наклоном 55°, до целевого значения 24. Все было готово к запуску фазы первоначальной работоспособности (IOC), в том числе для массового использования в гражданских целях.
Как GPS стала доступна каждому
Важным событием, которое подтолкнуло правительство США сделать GPS доступным, стала катастрофа Boeing 747. Напомним, что в 1983 году он был сбит советским самолетом-перехватчиком после входа в воздушное пространство СССР. До сих пор в этой истории нет точного понимания, как и почему все произошло. Но факт остается фактом — погибло 269 человек, а Рональд Рейган официально заявил, что GPS-система должна стать доступной для гражданского использования. Тогда в будущем таких «навигационных ошибок» можно будет избежать.
В 1985 году Федеральное правительство США заключило контракты с частными предприятиями на создание «бортовых, судовых и портативных» приемников, которые будут использоваться в системе GPS. За разработку взялись сразу несколько компаний, но первыми смогли реализовать в компании Magellan Navigation — на свет появился портативный Magellan NAV 1000.
Устройство стоило порядка 3000 долларов, весило 800 грамм, а аккумулятора хватало всего на 2-3 часа. Но это в любом случае был настоящий прорыв. Представьте: теперь любой человек на Земле (у которого, конечно, были такие деньги) мог знать, где он находится, с точностью в несколько метров.
Однако до того, как подобные устройства оценили бы гражданские лица, их, разумеется, активно начали тестировать военные. Ведь изначально GPS, как и Transit, было ориентировано на использование на кораблях и самолетах.
К 1990 году на орбите было развернуто 16 спутников Navstar, которые обеспечивали покрытие в течение 19 часов. Как многие помнят, в то время США с союзниками начали операцию «Щит пустыни» — на вооружение поступило порядка 500 демонстрационных устройств. Но когда командиры подразделений оценили их преимущества, внутри войск началась жесткая конкуренция за них. Министерство обороны выделило средства для закупки дополнительных устройств, однако к моменту наземной операции их все равно не хватало.
В число применений, в которых требовались GPS-приемники, в первую очередь входила разведка, штурмовые бригады и артиллеристы. В результате многие подразделения даже начали сами закупать Magellan NAV 1000 и AN/PSN-10 (еще один вид портативных приемников) за свой счет, с хорошей скидкой.
При этом была одна тонкость. Дело в том, что в GPS было реализовано два стандарта: SPS (Standard Positioning Service, с точностью 50-100 метров) и PPS (Precise Positioning Service, с точностью 5-10 метров). Последние как раз предназначались для использования военными и активно использовалась на кораблях и самолетах. А вот SPS имел худшую точность, что было сделано намеренно: чтобы всякие «умники» не имели преимуществ. Коммерческие GPS-приемники не поддерживали PPS, поэтому большая часть сухопутных подразделений армии США стали жертвами своей же «выборочной доступности».
Один из командующих во время войны в Персидском заливе, генерал-лейтенант Фредерик Фрэнкс вспоминал: «Они [приемники GPS] были бесценны для предотвращения братоубийства и обеспечения точной навигации и артиллерийского огня». После войны командование армии США поручило оснастить GPS-приемниками все бронированные транспортные средства.
Но вернемся к истории мирного использования GPS. В 1993 году началась первая фаза первоначальной работоспособности (IOC), а 27 апреля 1995 проект перешел в фазу полной работоспособности (FOC). Все 24 спутника (точнее, всего их было 27 — три резервных) были готовы к использованию в рамках «двойного назначения»: как для военных, так и для гражданских задач. 17 июля 1995 года об этом было официально объявлено — началась новая эпоха.
Но как это сделать удобнее всего для пользователей? Не носить же с собой отдельно портативный GPS-приемник размером с кирпич в кармане? Тогда многим компаниям пришла в голову идея: встроить соответствующий чип внутрь мобильных телефонов, которые с каждым годом становились все доступнее.
Первыми, кому это удалось сделать, стала компания Benefon, которая представила в 1999 году телефон Benefon ESC!. В сочетании с точными картами, на которых отображалось ваше текущее местоположение в любой точке мира, это стало настоящей революцией. Цены на чипы стремительно снижались: теперь речь шла условно не о сотнях, а о нескольких долларах.
В 2001 году начали появляться первые автомобильные навигаторы. Первопроходцем стала нидерландская компания TomTom, которая сначала выпустила ПО TomTom Navigator, а в 2004 году — устройство TomTom Go, позиционирующееся как «все в одном», с возможностью онлайн-обновления карт. Конкуренцию им составила американская Garmin, ранее специализировавшаяся исключительно на авиационных системах GPS-навигации.
Однако у многих возникали некоторые неудобные вопросы:
-
По какой причине точность навигации для системы, созданной на деньги налогоплательщиков и позиционирующейся самими властями для «двойного назначения», специально ухудшается в рамках того самого принципа «выборочной доступности»? Почему нельзя предоставить доступ к PPS?
-
Раз система изначально разработана для военных применений, то можно ли отслеживать местоположение самих пользователей?
Например, именно такие мысли привели страны Европы к появлению собственной системы глобального спутникового позиционирования Galileo. С учетом того, что в СССР и России были и есть свои системы, первоначально ориентированные также на «военку».
Страхи усилились, когда компания Qualcomm в 2002 году анонсировала систему gpsOne. Она использовала так называемую A-GPS (Assisted GPS) — это когда устройство не может сразу найти сигнал со спутника, то определяет примерное местоположение по внешним сигналам от вышек сотовой связи и других сетей. В идеале это позволяло бы быстрее определять, где находится человек, попавший в беду — отличное применение для пожарных, скорой и так далее.
Однако это же имеет и обратную сторону: конкретного звонящего по сотовому можно быстро и достаточно точно отследить. В теории, разумеется — зачем бы такое кому-то понадобилось?
На самом деле власти, с одной стороны, не хотели терять заложенные в системе преимущества для военного использования, да и были бы только рады дополнительным возможностям проконтролировать граждан (и не только) еще больше. Но с другой стороны, поднявшийся вой бизнеса, демократических политиков и обычного населения резко тормозил распространение технологии и отрицательно влиял на рейтинги.
В 2000 году, после скандала с Моникой Левински и бомбардировок Югославии репутация президента США Билла Клинтона шаталась, как деревянный мостик на ветру. Чтобы как-то обелить наследие своего 8-летнего правления (как говорил Штирлиц, «запоминается последнее»), 1 мая 2000 года он издает значимый указ по «Улучшению гражданской глобальной системы позиционирования (GPS)».
«Решение прекратить выборочную доступность — это последняя мера в продолжающихся усилиях по повышению отзывчивости GPS для гражданских и коммерческих пользователей по всему миру. Такое повышение точности позволит появиться новым приложениям GPS и продолжить улучшать жизнь людей по всему миру».
В одну ночь пользователи получили возможность определять свое местоположение в 10 раз точнее, чем было до этого.
Но, конечно, у этого были и другие причины. Например, США пытались активно бороться с решением ЕС о создании собственной системы спутниковой связи. Такой аргумент мог стать веским поводом отказаться от Galileo и сохранить монополию для США на большую часть мира (ГЛОНАСС в расчет не берем). Тем более с финансированием европейского проекта были огромные сложности.
Но как мы знаем, Galileo все-таки была успешно запущена. И сейчас используется, наряду с ГЛОНАСС и BeiDou, хотя GPS остается самой известной системой глобального позиционирования в мире.
Стоит упомянуть, что в 2004 году в США еще была запущена система WAAS (Wide Area Augmentation System), которая позволяла корректировать и дополнять точность позиционирования GPS для гражданской авиации.
В 2005 году США объявляют, что планируют обновить спутники на орбите, и в них не только не будет реализован механизм «выборочной доступности», но и будет поддерживаться дополнительный канал L2C связи для гражданских применений. В том же году на орбиту вывели первый спутник Block IIR-M — к 2009 году их число увеличилось до восьми.
В 2010-2016 годах 12 спутников следующей версии Block IIF, в которых появилась новая частота L5, были также выведены на орбиту. А в 2018 году начали выводиться аппараты третьего поколения GPS Block III производства Lockheed Martin — вот какие преимущества заявляются компанией:
-
Точность в три раза выше.
-
Помехозащищенность в восемь раз лучше.
-
Есть поддержка сигнала диапазона L1C, для совместимости с европейской системой Galileo.
-
Модульная конструкция, которая позволит в будущем добавлять новые технологические блоки без глобальной модернизации всего аппарата.
На сегодняшний день выведено 6 спутников — к 2026 году планируется вывести четыре оставшихся. Всего на орбите сейчас 32 аппарата, из которых используется 31.
В каких отраслях без GPS — никуда
По оценкам аналитиков, с 1980-х годов спутники GPS помогли получить почти 1,4 триллиона долларов экономических выгод. От их сигналов зависят четыре миллиарда пользователей. Только в США речь идет о доходе 300 млрд долларов в год и 900 миллионах GPS-приемников, в среднем по три на каждого жителя Америки.
Вот лишь некоторые важные гражданские отрасли (военных касаться не будем), в которых GPS — критически важная штука. И речь тут не только о том, чтобы мы с вами могли спокойно доехать до пункта назначения в незнакомом городе.
Гражданская авиация. В мире сейчас насчитывается сотни тысяч самолетов — как пассажирских, так и частных. И отсутствие работы спутниковых систем (той же GPS вкупе с WAAS) создало бы некоторые сложности. Например, в работе системы ADS-B (автоматическое зависимое наблюдение-вещание), весьма критичной для координации и безопасности полетов.
Морская навигация. Работы GPS лежит в основе так называемой автоматической идентификационной системы (AIS), которая позволяет идентифицировать суда, определять их курс, согласовывать движения относительно друг друга, помогать в операциях по поиску и спасения (SAR) и многое другое.
Транспортная логистика. GPS помогает отслеживать маршруты грузовиков и прокладывать их оптимальным образом. Это позволяет экономить время в пути: уменьшать плечо поставки товаров, экономить топливо и даже повышать культуру вождения. Исследования показали, что спутниковая навигация привела к снижению расходов топлива на 13,2%, а количество штрафов сократилось на 40%.
Железнодорожные сообщения. Спутниковая навигация применяется в системах управления движением поездов — PTC (Positive train control) в США. Она позволяет контролировать положения поездов, их скорость, и принимать меры по предотвращению аварий автоматически, исключая ошибки машинистов. Сейчас она действует на 98% всех путей Америки.
Картография и геодезия. Возможности GPS позволяют составить карты местности и определить рельеф с точностью буквально в 1-2 метра и даже точнее, благодаря современному диапазону L5. Причем для этого не нужна прямая видимость или непосредственный доступ.
Спасение жизней. GPS — это настоящая находка для служб экстренного реагирования. Скорая или пожарная могут быстрее добраться до цели, учитывая загруженность дорог. А в случае стихийных бедствий или техногенных катастроф поисковые службы могут быстрее найти человека. В современных спутниках для этого зарезервированы возможности для программы Cospas-Sarsat.
Тектонический контроль. Существует несколько тектонических лабораторий, которые постоянно мониторят деформации и сдвиги плит земной коры. Они размещают сеть GPS-приемников на определенных расстояниях и контролируют их перемещение. Такой подход позволяет заранее прогнозировать землетрясения и цунами.
Это лишь некоторые гражданские применения — уверены, что вы сможете назвать еще с десяток.
Однако зависимость от спутниковой связи может использоваться и во вред — и речь тут не про наведение ракет или управление БПЛА. Речь идет о так называемом спуфинге.
Например, в 2019 году Иран вмешался в навигационную систему британского танкера Stena Impero в Ормузском проливе. Подменив сигнал, они вынудили корабль войти в иранские воды, после чего захватили корабль. Если опустить политические причины, то проблема безопасности становится все острее с развитием технологий.
Так что вопросы остаются. Например, кто может отслеживать положение конкретного человека с точностью до метра через GPS и чем это может быть чревато? Насколько вообще можно доверять определению геолокации на смартфоне, особенно в столь неспокойное время? Какова вероятность стать жертвой спуфинга? И многое другое.
Но это уже часть нашей жизни, и вряд ли мы можем полностью от нее отказаться. Возможно, разумный подход — осознавать риски, но продолжать использовать GPS осознанно, понимая его плюсы и минусы. А уже как именно поступать — это выбор каждого.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
