Искусство позиционирования
Мобильная телефония и спутниковое позиционирование — GPS, Global Positioning System — стали, без сомнения, двумя лучшими hi-tech-изобретениями прошлого века. И то, и другое не рискнули представить в своих прогнозах относительно XX века даже такие дерзкие фантасты, как Иван Ефремов и Станислав Лем. «А как же компьютеры? — спросит озадаченный читатель. — А как же космические корабли?» Ответ прост: компьютеры и корабли на самом деле всего лишь техническая база для создания двух этих чудес, которыми сегодня пользуется практически половина населения 3емли, напрямую или опосредованно.
Конечно, и компьютеры, и космические корабли станут в будущем «локомотивом» еще многих повседневных чудес, о которых мы сегодня, возможно, и не догадываемся, но мобильная связь и GPS уже с нами. Давайте поговорим о последнем. По масштабам использования GPS сегодня, конечно, не стоит сравнивать с сотовой телефонией. Хотя стоит уточнить, что эти масштабы сильно различаются в разных странах. Например, на Западе и в Штатах большинство продаваемых автомобилей изначально снабжены встроенной системой позиционирования. В России в этом смысле дела обстоят не так замечательно, и тому есть множество причин, главная из которых, скорее всего, слабая информированность соотечественников о возможностях GPS. Простенький GPS-навигатор стоит сегодня не дороже среднего «мобильника». Приобретя его, вы всегда сможете узнать точные координаты своего местонахождения, в какую бы точку земного шара вы ни попали. Зачем? Если вы не можете оторваться от дивана, то, может, и впрямь незачем. Но стоит вам отправиться в гости по незнакомому адресу (и даже по знакомому: навигатор вполне способен предложить вам новый краткий маршрут вместо привычного) или же на рыбалку, в лес, в горы, в любое путешествие, прихватив с собой небольшой GPS-приборчик, и уже в следующий раз вы не захотите ехать без него.
Что такое GPS?
Впрочем, начнем с того, что попытаемся понять, как все это работает. Система глобального позиционирования состоит из:
— некоторого количества специальных искусственных спутников (для полного и постоянного покрытия всей Земли их должно быть как минимум 24, но наиболее популярная на сегодня (и практически единственная полноценно действующая) американская система NAVSTAR включает в себя целых 28 (правда, некоторые из них — запасные);
— наземного комплекса управления, держащего, что весьма важно, в актуальном состоянии спутниковые часы (они синхронизируются с находящимися на Земле специальными атомными часами), отслеживающего с высокой точностью реальное местоположение спутников и, при необходимости, корректирующего их орбиты; — и, само собой, — из GPS-приемников самого разного класса, от стодолларовых любительских до сложнейших профессиональных. Кроме того, на Земле могут располагаться специальные радиомаяки, позволяющие значительно повысить точность измерений.
Итак, объект, находящийся на Земле, при помощи GPS-приемника ловит радиосигналы с трех, а лучше — с четырех спутников системы, синхронизирует с ним свои часы, а дальше измеряет время прохождения радиосигнала со спутника и вычисляет таким образом расстояние до него. Сопоставляя эти расстояния для трех или четырех видимых спутников с помощью несложных тригонометрических построений, которые многие помнят еще по старшим классам средней школы (конечно, на деле эти вычисления значительно сложнее, но основной принцип — тригонометрический), прибор вычисляет свои географические координаты с точностью до нескольких метров. Можно даже определить высоту над уровнем моря, хотя эти измерения обычно получаются менее точными. Если же объект движется, то по координатам в разные моменты времени определяются направление и скорость движения.
На первый взгляд все кажется очень простым — только, как и в случае с мобильной телефонией, для всего этого нужна суперсложная инфраструктура, которую может создать только высокоразвитая цивилизация!
Путь к точности
Точность определения положения зависит от целого ряда факторов: например, от сиюминутного состояния ионосферы, которая влияет на скорость прохождения радиоволн. Некоторые скептики предрекают даже сбои в работе GPS из-за повышения активности Солнца в 2011—2012 годах, но, скорее всего, это большая страшилка, подобная успешно решенной проблеме Y2K, хотя некоторые проблемы, не исключено, и возникнут. Есть и другие источники ошибок в измерениях: задержка радиоволн в тропосфере, погрешности хода часов на спутнике и в приемнике, неучтенные возмущения орбит, просто не самая удачная конфигурация спутников в момент измерения. Тем не менее совокупная погрешность редко выходит за десяти—пятнадцатиметровые пределы (уточним, что речь идет о единственной полноохватной и реально работающей американской системе NAVSTAR). Причем на самом деле в большинстве случаев точность бывает заметно большей. Правда, до 2002 года такая «прецизионность» была доступна только военным и прочим государственным ведомствам США , а для гражданского применения был выделен специальный канал «пониженной точности» (до 100 метров). Правительство США, контролирующее систему NAVSTAR, оставило за собой право в любой момент закрыть «точный» сигнал для широкого пользования. Но если такое вдруг и произойдет, то на NAVSTAR свет клином не сошелся, существуют и другие системы (см. подверстку).
Вторая проблема геопозиционирования, особенно характерная для России с ее особенностями государственного менталитета, — это точность карт, выпускаемых для широкой публики. То есть вы можете довольно точно вычислить свои физические координаты, но, сопоставив их с картой, — оказаться в серьезном заблуждении. Мало-помалу эта проблема решается — кто-то оцифровывает добытые «левым» путем крупномасштабные карты Генштаба, кто-то пользуется лежащими в открытом доступе в Интернете спутниковыми картами, так что главное, что процесс пошел.
GPS — это еще не все
Сама аббревиатура GPS сейчас почти намертво увязана с американской системой NAVSTAR, поэтому профессионалы предпочитают говорить о системах геопозиционирования. Они вовсе не ограничиваются NAVSTAR. Существует еще и отечественная система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), официально принятая в эксплуатацию в 1993 году, но до сих пор не вышедшая на проектную мощность. Есть и еще несколько сравнительно простеньких, специализированных систем: четырехспутниковая «Цикада» для морской навигации, давняя шестиспутниковая «Циклон», чья эксплуатация продолжается, несмотря на худшие результаты позиционирования, чем у систем более современных, военная система «Парус»… Существует базирующаяся едва ли не на двух спутниках китайская Beidou, работающая в основном на территории Китая. Самое интересное, что ждет нас на этом поприще, — это европейская система Galileo. Это будет первая система с метровой точностью, создаваемая исключительно для гражданских нужд и теоретически неподконтрольная ни военным, ни государственным ведомствам. Предполагается, что она должна войти в строй в следующем году, когда на орбиту выйдут все 30 запланированных спутников (3 из них — резервные).