Журнал "Наука и Техника" (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 01 (1)

Идея настолько проста, что её реализацию “тормозила” только неразвитость космонавтики. Естественно, история GPS начинается в 60-х, когда ВМФ и ВВС США устремили свои интересы 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”, разработанные в рамках военно-морской программы TIMATION и являющиеся эталоном времени. ВВС, в свою очередь, взяли на себя создание Navstar Global Positioning System.

Первый спутник был запущен в 1978 году, а с 1989 года выполняется запуск спутников нового поколения. Первые одиннадцать спутников двигались совсем по иным орбитам, по сравнению с современными, и были предназначены для того, чтобы опробировать систему и показать реальность решения задачи.

Надо заметить, что проект реализовывался 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 решить, 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’y сидеть “собакой на сене”.

За мостом Тсунг Ма присматривают из космоса

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.

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

Учёный использует GPS-приемник для изучения вулкана в Южной Америке

В это сложно поверить, но 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 самолетные маршруты, уменьшить промежутки между рейсами. Аналогичные нововведения ждут и морской флот. Причём, с учётом экономии топлива, это означает миллиардную выгоду.

GPS с 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 дорога и шоссе для автомобилей. Его длина— почти полтора километра. По замыслу архитекторов, мост может выдерживать достаточно большие нагрузки, причём были просчитаны максимальные величины, на которые мост может прогибаться и раскачиваться. Известно, что если колебания в сторону моста превысят 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, эксплуатационники могут определить конкретное место на мосту, где нужно произвести ремонтные работы или отрегулировать трафик движения транспорта по мосту.

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 в океанических течениях, которые, в частности, зависят и от климатических изменений. Их диаметр иногда достигает 160 км 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 20 км от суши полученные данные поступают с помехами.

Кроме того, спутник может “наблюдать” место водоворота только один раз в 10 дней — таков период его обращения по 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.

Датчик в Нагое