GPS: ты меня видишь?

Самой известной является Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (NAV igation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System), созданная для высокоточного навигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, воздухе, на земле и воде.

В ее состав входят навигационные спутники, наземный комплекс управления и аппаратура потребителей (пользователей). Применяемый в системе принцип состоит в том, что специальные приемники, установленные у потребителей, измеряют дальности до нескольких спутников и определяют свои координаты по точкам пересечения поверхностей равного удаления.

Дальность вычисляется по известным из школьных учебников формулам путем умножения скорости распространения радиосигнала на время задержки при прохождении им расстояния от спутника до пользователя. Величина временной задержки определяется сопоставлением кодов сигналов, излучаемых спутником и генерируемых приемным устройством, методом временного сдвига до их совпадения. Временной сдвиг измеряется по часам приемника. Координаты спутников известны с высокой точностью. Для нахождения широты, долготы, высоты, исключения ошибок часов приемника достаточно решить систему из четырех уравнений. Поэтому приемник пользователя должен "видеть" и принимать навигационные сигналы от четырех спутников.

Точность - вежливость королей
Скорость определяется по допплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала спутника, вызываемому движением пользователя. Допплеровский сдвиг (Doppler shift) замеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника и генерируемых приемником. Разумеется, все это происходит мгновенно и без какого либо участия пользователя.

Навигационные сигналы излучаются на двух частотах L-диапазона (L-band, полоса радиочастот от 390 до 1550 МГц): 1575,42 МГц(L1) и 1227,6 МГц(L2). На L2 излучаются сигналы с военным кодом P(Y) с высокоточной информацией (Precision-точный, или Protected-защищенный) и защищенным от имитационных помех.

P-код представляет из себя последовательность псевдослучайных бистабильных манипуляций фазы несущей частоты (Сarrier Frequency) с частотой следования, равной 10,23 МГц и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируется им в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На L1 излучаются сигналы и с военным кодом P(Y), и с общедоступным гражданским кодом (Сivilian Сode), который часто называют C/A (Сlear Acquisition-код свободного доступа). Прием сигнала по коду P(Y) обеспечивает работу в режиме PPS (Precise Positioning Service-высокая точность измерений). Сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу, что значительно повышает точность измерений навигационных данных.

Прием на частоте L1 с кодом C/A не позволяет определить ошибки, вносимые ионосферой. Структура кода C/A обеспечивает худшие характеристики в режиме SPS (Standart Positioning Service - стандартная точность измерений). Так, если в режиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают 22-23 метра, высоты - 27-28 метров и времени - 0,09 мкс, то в SPS они увеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс. Среднеквадратическая ошибка определения долготы и широты в PPS составляет не более 8 метров, а в SPS - не более 40 метров. Министерство обороны, исходя из интересов национальной безопасности, осуществляет "искусственное" ухудшение точности в режиме S/A (Selective Availability - ограниченный доступ). Первоначально режим SPS был необходим для грубого определения пользователями своих координат для вхождения в код P(Y). В настоящее время уровень электроники, программного обеспечения и методов обработки навигационной информации позволяет осуществлять достаточно быстрый захват P(Y) без кода C/A, а также проводить высокоточные определения по фазе несущей сигнала. Кроме того, полностью отработанный наземный автоматический режим дифференциальной коррекции (Differential Positioning), позволяет в ограниченном регионе получать точное определение относительных координат взаимного расположения двух приемников, отслеживающих сигналы одних и тех же спутников GPS. К примеру, штатные системы навигации транспорта, поставляемые и развернутые компанией ПРИН, при использовании гражданского C/A-кода определяют координаты автомобиля с точностью от 2 до 5 м.

Пентагону указали на его место
Итак, выведенная на круговые орбиты высотой около 20000 км и периодом обращения около 12 ч группировка GPS-спутников предназначалась для обеспечения печально известного проекта СОИ. "Нашим ответом Керзону" был проект аналогичной советской навигационной системы "Ураган" (сейчас она называется "ГЛОНАСС"). Однако уже в 1983 году, через полтора месяца после трагической и сенсационной гибели южнокорейского "Боинга-747" над Татарским проливом у берегов Сахалина, под давлением президента Рейгана и Конгресса Пентагон рассекретил SPS-режим этой суперсовременной системы. Война в Персидском заливе, где навигационные технологии были испытаны в боевой обстановке и спасли жизни многим солдатам и офицерам многонациональных сил, дала толчок дальнейшему развитию и продвижению прикладной спутниковой навигации на рынок гражданских потребителей GPS.

Кому это нужно? С помощью портативных и дешевых GPS-приемников SCOUT, MAGELLAN, HUNTER и других не только офицеры и солдаты, но и специалисты по поисково-спасательным работам, рыбаки, охотники, геологи, лесники, альпинисты, автотуристы, яхтсмены, другие "любители острых ощущений и здорового образа жизни" получили реальную возможность повысить безопасность своих путешествий, с высокой точностью определять в любой точке земли свое местоположение, скорость перемещения, прокладывать маршруты, запоминать путевые точки, вводить навигационную информацию в компьютер и наносить на электронные карты местности, ориентироваться в полной темноте, в слепящей белизне полярных пустынь Аляски и в песках Каракумов.

Теодолиты в музей?
При решении прикладных проблем геоинформационных технологий, привязке объектов (антенны, артиллерийские батареи и т. п.), создании различных передвижных измерительных лабораторий, GPS-оборудование играет ведущую роль, автоматизируя процесс сбора и навигационной привязки данных или измерений.

Кроме того, созданы портативные высокоточные геодезические GPS-приборы, полностью совместимые с компьютерами и превосходящие по многим характеристикам традиционные оптические инструменты, которые используются в строительстве, лесном хозяйстве и землеустройстве, горнорудной промышленности и шельфовых разработках. Сегодня в некоторых странах уже не встретишь на строительных площадках и в карьерах оптические теодолиты и нивелиры. И что самое примечательное, навигационная информация передается абсолютно бесплатно. GPS-оборудование можно свободно купить, и оно прекрасно работает и в холод, и в зной, и в дождь, и в снегопад!

Все под контролем!
Прогресс в микроэлектронике и компьютерной технике, спутниковой навигации, космической и наземной радиосвязи, электронной картографии привел к формированию довольно обширной комплексной прикладной области транспортно-диспетчерских информационных технологий. Главными потребителями услуг космической навигации стали автомобильные, железнодорожные и морские виды транспорта. GPS-технологии активно используются в работе городских служб (спасение, полиция, скорая помощь, пожарные, вывоз мусора, энерго- и газонадзор), служб безопасности государственных и коммерческих предприятий. Навигационная информация представляет большой интерес и для мобильных подразделений организаций, занимающихся перевозками ценных и опасных грузов (деньги и драгметаллы, дорогостоящие и скоропортящиеся товары, важные персоны, конвои с гуманитарной помощью, оружие, химические и отравляющие вещества, заключенные и др.).

Первые в России высококлассные GPS-системы, интегрированные с современными связными и картографическими комплексами, предназначенными для оперативного контроля и управления транспортом в пределах города и региона, были поставлены компанией "Прин" в 1995 году в Инкомбанк, в специальные подразделения Министерства по чрезвычайным ситуациям, некоторые коммерческие структуры. В настоящее время реализуются еще несколько проектов, в том числе и для контроля за транспортом на любых (!) расстояниях с использованием GPS и глобальной системы мобильной связи INMARSAT.

Во всех службах, где внедряется спутниковая навигация, снижаются эксплуатационные затраты, повышаются безопасность перевозок грузов и дисциплина экипажей. GPS позволяет мобильным подразделениям оперативных и муниципальных служб стать более "боеспособными" без увеличения количества транспорта и личного состава за счет эффективного использования имеющихся ресурсов.

Особенности национальной навигации
А где же наш ГЛОНАСС, спросите вы? Как это ни парадоксально, диспетчерские ГЛОНАСС-системы напрочь отсутствуют в российской милиции, скорой помощи, аварийных службах, да и в войсках тоже. Несмотря на достигнутые выдающиеся результаты и самоотверженные усилия российских Военно-космических сил по запуску с практически развалившегося казахского космодрома Байконур радионавигационных спутников и управлению системой ГЛОНАСС - аналога американской GPS, отечественная промышленность так и не смогла наладить производство навигационной аппаратуры потребителя индивидуального пользования класса Scout, MUGR или Hanter. Нет также геодезических приборов уровня аппаратуры Trimble, да и вообще техники, конкурентоспособной на международном и российском рынке навигационного оборудования.

В проектах федеральной программы по использованию ГЛОНАСС в гражданских целях мелькали цифры порядка 1 млрд дол. для создания в 2005 году такого же класса наземного радионавигационного оборудования, которое давно свободно продают на рынке западные компании. Прикрываясь, в общем-то, разумной идеей лоббирования российской системы, а часто просто вытаскивая из прошлого рецидивы шпиономании и тотальной секретности, в общем, "из соображений безопасности" (в одной телевизионной передаче одноканальный приемник Garmin, которым пользуются практически все яхтсмены мира, был назван "шпионским прибором GPS"), некоторые не слишком изобретательные чиновники, абсолютно не думая о последствиях, ограничивают ввоз дорогостоящих высоких западных GPS-технологий. Хотя, для создания конкурентоспособной аппаратуры нужно было бы просто объявить честный тендер среди российских производителей навигационной аппаратуры. Другие государственные мужи на деньги налогоплательщиков открывают в России сборочное производство устаревшей западной геодезической аппаратуры, которая оказалась дороже, долго не могла пройти сертификацию, и ни один комплект этого "русского чуда" никто не купил.

Состоится ли свадьба?
Интеграция же ГЛОНАСС с GPS в рамках единого международного информационного навигационного поля требует от России крупных вложений как в наземную инфраструктуру управления, так и в совершенствование самих космических аппаратов с целью повышения надежности функционирования системы и увеличения срока активного существования спутников. В России таких спутников пока нет, что не является секретом ни для кого. Об этом международные эксперты судят по динамике состояния орбитальной группировки и по колоссальному, даже по космическим меркам, количеству запусков носителей "ПРОТОН", производимых с 12 октября 1982 года для развертывания, доведения до штатного состава и поддержания системы ГЛОНАСС. Вместе с тем необходимо отметить более высокие точностные характеристики ГЛОНАСС по сравнению с GPS, что признается солидными американскими экспертами и университетами. Но хорошая отечественная навигационная система практически загнана в угoл "благодаря" российским чиновникам и, мягко говоря, несколько затянувшимся затратным подходам, когда под завесой секретности для решения "важных" оборонных задач деньги никто никогда, по большому счету, не считал.

Сейчас, когда рынок "оккупирован" GPS, для оправдания затрат на создание и поддержание системы делаются попытки внедрения военной спутниковой навигации в коммерческие области. Однако для решения этой конверсионной задачи необходимы просто "бешенные", по российским меркам, вложения. Причем, даже если и будут вырваны из бюджета миллиарды долларов, есть уверенность, что практический результат получим "как всегда" (вспомним хотя бы программу "Буран"). Наблюдая этот "процесс", не покидает ощущение того, что вокруг ГЛОНАСС сосредоточено очень много физических и юридических лиц, не имеющих к нему никакого отношения, но желающих на нем заработать. Спокойно посмотрев правде в глаза, нужно признать, что невоенный рынок наземной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС пока находится в коматозном состоянии и его нельзя сравнивать ни по обьему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с GPS-рынком, имеющим почти десятилетнюю историю. Но стремиться к таким показателям необходимо. Вопрос только в том - какую цену готов заплатить налогоплательщик.

Совмещенные приемники для GPS/ГЛОНАСС Анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников также не выведет в этом тысячелетии Глонасс из этого состояния, так как цена этих приборов просто несопоставима со стоимостью GPS-комплексов. Да и нужны совмещенные приемники, по-большому счету, только авиаторам для решения задачи высоконадежной посадки самолетов. Все остальные пользовательские задачи уже давно прекрасно решаются GPS, доминирующей на радионавигационном рынке. И для завоевания рынка необходимо либо абсолютно новое потребительское качество навигационных приемников при низкой розничной цене, либо разумная жизнеспособная программа продвижения ГЛОНАСС-технологии на рынок с учетом огромного пространства, уже завоеванного GPS, и главное, нужны люди, для которых бы прикладная навигация была источником существования, которые бы вкладывали свои, а не только государственные, деньги. Отметим, что хорошего программного обеспечения диспетчерских систем для ГЛОНАСС-приемников нет, как, впрочем, нет качественных электронных карт российских городов и областей. Подробные карты до сих пор находятся в секретных сейфах, до них практически невозможно добраться. Время же разработки программ для ГЛОНАСС сопоставимо со сроками создания печально известной системы "Патруль" которая проектировалась в течение многих лет для российской милиции, но так и не была создана.

Возвращаясь к обсуждению совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников, разумней и честнее говорить пока только о политическом значении того факта, что российская система используется мировым сообществом, в том числе и при решении задач навигации на транспорте.

Финал
Возможно, некоторые ведомства предпочли бы вести откровенный разговор о современной "общественной" роли в России диспетчерских информационных технологий и спутниковых систем навигации в узком кругу профессионалов. Возможно также, что публичное обсуждение трудностей они считают таким же дурным тоном, как разглашение посторонним семейных тайн. Но мыслящие люди, от которых зависит принятие ответственных решений, жизнь и безопасность людей, должны отчетливо представлять сильные и слабые стороны тех средств, на которые на тех или иных этапах они предполагают сделать ставку, если хотят получить прикладной результат, а не грузовик с отчетами, обосновывающими очередные миллиардные вложения.

Ясное понимание сегодняшнего пользовательского, если хотите, рыночного, а не газетного или телевизионного уровня развития спутниковых технологий и их применение в российской экономике, в системах управления транспортом, оперативными службами и тактическими подразделениями принесет несравненно больше пользы, чем слепая вера в "волшебные" слова о наших навигационных "суперприемниках", которые "не за горами". Как показывает история, эта вера способна исказить наши представления о реальностях и даже привести к краху.

В заключение хочу напомнить о решении американского правительства снять ограничения после 2000 года на использование точного P(Y) кода. По экспертным оценкам, это еще более затруднит положение ГЛОНАСС на радионавигационном рынке. Те руководители, которые понимают, что такое ГЛОНАСС, и, если им не безразлична судьба российской системы, в матовой позиции должны сделать разумный ход.

E-mail tracking@prin.msk.su
Internet: http://www.prin.ru
E-mail: voronta@glasnet.ru