Што е GPS? Зошто ни е потребно? Која е разликата помеѓу различните системи за навигација? Ние ќе зборуваме за сè во оваа статија.
Во моментов, GPS ни се чини дека е секојдневна, позната работа за која сите слушнале и повеќето од нив ја користат во секојдневниот живот. Ова е една од алатките што ги користиме во нашите уреди. Притоа, не ни размислуваме како функционира, од каде дојде, колку време, труд и пари требаше да се вложат за создавање на овој систем. Денес, приемниците на GPS сигнали имаат не само навигатори, телефони, паметни телефони, таблети, автомобили, но дури и фитнес нараквици и „паметни“ часовници, нивните податоци се користат во индустријата, аматерскиот и професионалниот спорт, релито и трките и секако во воената индустрија. Ајде внимателно да ги разгледаме различните системи за навигација.
Што е сателитска навигација?
Сателитска навигација, или Глобален сателитски систем за навигација, е систем од сателити кој пренесува податоци за глобалното позиционирање и прецизното време. За пренос на информации се користат радио бранови од одредени фреквенции. По добивањето на таквите податоци, приемникот ги пресметува и ги прикажува координатите на нашата локација, односно географска должина, географска ширина и надморска височина.
Покрај основните системи (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), во вселената има и помошни системи. Тоа се таканаречените системи за корекција на сателити (SBAS), како што се Global Omnistar и StarFire, кои се користат во земјоделството.
Над нас се и регионалните системи за поддршка како што се WAAS во САД, EGNOS во ЕУ, MSAC во Јапонија и GAGAN во Индија, кои се грижат за усовршување на податоците во помалите области на земјината топка. Сето ова е поддржано од компоненти за земја, за кои ќе зборуваме подоцна. Во системот има многу дефиниции, но нема да навлегуваме во детали.
Прочитајте исто така: Најважните и најинтересните вселенски мисии во 2021 година
Видови на сателитска навигација
GPS не е единствениот моментално достапен систем за сателитска навигација. Неколку видови сателити летаат над нашите глави, одговорни за гео-позиционирањето на уредите што ги чуваме во нашите џебови, ги носиме на зглобовите или ги користиме во навигаторите. Зошто има повеќе системи, а не еден? Сигурен сум дека ова прашање го поставија повеќето просечни корисници. Факт е дека првично ГПС системот беше создаден за воени потреби, а војската сè уште има контрола над него. Тоа значи дека тие го контролираат позиционирањето на секого и секаде во светот. Се разбира, оваа позиција не им се допадна на многумина, не само на противниците, туку и на пријателите. Затоа, сериозни светски играчи решија да ги развијат своите системи за навигација за нивната армија да има контрола над нив. Наскоро во светот се појавија GPS аналози, кои се натпреваруваа едни со други за титулата најдобар и најпрецизен на пазарот. За нас, обичните корисници, ова е само предност. Значи, ајде да се обидеме да се справиме со секој систем одделно.
Американски GPS
Ова е првиот систем за навигација што го користиме најчесто. Кога размислуваме за сателитска навигација, обично го користиме терминот GPS. Американскиот систем првично беше наречен NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, или скратено NAVSTAR-GPS.
ГПС е во рацете на американската војска, поточно на американските вселенски сили. Сите уреди се проверуваат за правилно функционирање од страна на Спејс Делта 8, која се наоѓа во воздухопловната база Шрајвер во близина на Колорадо Спрингс и работи како дел од штабот на ГПС.
Цивилните апликации се само мал додаток на воените апликации, за кои распоредот и најголемата точност на позиционирање се приоритет. Цивилните корисници добиваат малку скратена верзија, но сепак е доволно добра. Не ни треба точност од неколку десетици сантиметри за да возиме автомобил или да трчаме, но потребна е сè поголема точност, на пример, во навигацијата, во картографијата, во земјоделството за следење на полињата, во транспортните компании за следење возила и во многу други области. Затоа, не е чудно што системот GPS постојано се менува, се случува оптимизација на сателитите.
Во текот на неговата употреба, системот претрпе промени и се уште се модернизира, одвреме-навреме во мрежата се внесуваат сателити со поголеми можности, а старите што се користеа порано со текот на времето се уништуваат. Повеќето од нив согоруваат во атмосферата, а понекогаш остатоците потонуваат во Тихиот Океан.
Целосната подготвеност на ГПС системот беше постигната во 1993 година, кога во орбитата беше ставен потребниот број сателити. Но, уште во 1983 година, администрацијата на Роналд Реган одобри дозвола за цивилна употреба на системот. Ова се случи откако СССР собори корејски цивилен авион кој по грешка го наруши советскиот воздушен простор. Сепак, првично точноста на системот за цивилното население беше ограничена на 100 метри. Но, и тоа беше доволно во тоа време за да се избегнат дополнителни катастрофи.
Работата на ГПС системот од вселената е дополнително поддржана од сателитите WAAS (Wide Area Augmentation System) што ја обезбедува потребната корекција на податоците за да се зголеми точноста на системот. Тие се наоѓаат во Северна Америка (и делумно во Јужна Америка) и се под грижа на FAA (Федерална управа за авијација). WAAS е наменет да поддржува цивилни апликации за сателитска навигација.
Руски ГЛОНАСС
ГЛОНАСС е кратенка за глобалниот сателитски систем за навигација, кој работи слично како американскиот GPS. ГЛОНАСС се состои од 24 активни сателити лоцирани на приближно 19 километри над земјата, а орбитата на сателитот трае 100 часа и 11 минути. Тестирањето на системот започна во 15 година, односно назад во СССР. Навистина е создаден како одговор на американските случувања, кај нас попознати како „Војна на ѕвездите“. Советскиот Сојуз во ништо не сакаше да попушти пред САД, но „Перестројка, гласност, забрзување“ си ја заврши работата. Работите главно беа скратени поради недостиг на средства. Иако, како што се испостави подоцна, не беше сè затворено. Навистина беше изненадување за Американците кога во 1982 година официјално беше објавено дека системот ГЛОНАСС е подготвен за работа. Во 1993 година, Русите успеаја да стават цело соѕвездие од 1995 сателити во орбитата.
Но, сè не беше толку добро од самиот почеток. Ерата на Елцин од деведесеттите исто така влијаеше на вселенските програми. Немаше финансирање, никој не се интересираше за вселенска и сателитска навигација. Како резултат на тоа, во 2002 година само 7 сателити сè уште беа во функција. Сепак, Русите почнаа да работат и, како дел од програмата за обновување 2002-2011 година, ги ставија во функција подобрените сателити GLONASS-K, како и придружните модерни системи за контрола на земјата.
Во следната фаза на модернизацијата, во 2012-2020 година, главното внимание беше посветено на подобрување на својствата на PNT (позиционирање, навигација и синхронизација) со цел да се зголеми безбедноста на државата и можностите на нејзините одбранбени и цивилни системи. Во моментов се работи на следната генерација на сателити, познати како GLONASS-K2.
Кинески BeiDou
Кина започна да развива систем за сателитска навигација на крајот на 2000 век. Во 1 година, тие успеаја да ја затворат првата фаза на развој на BDS-1, кој е попознат како навигациски сателитски систем BeiDou-2. Како дел од овој проект, Кина и најблиските странски земји добија системи за позиционирање. Следниот чекор беше BDS-2020 со сателитска мрежа која обезбедува покривање во азиско-пацифичкиот регион. Во 3 година, како дел од проектот BDS-XNUMX, системот BeiDou стана оперативен ширум светот.
Во моментов, има 35 сателити во орбитата, а вкупно, програмата веќе изврши 59 лансирања со носивост што ги става следните генерации на системот BeiDou во орбитата. Според кинеските власти, повеќе од 400 агенции и 300 научници и техничари учествувале во креирањето на програмата БДС-000. За поддршка на најновата констелација на сателити, создадени се повеќе од 3 копнени станици за следење на правилната работа на системот. Глобалната достапност на системот се проценува на 40%, а за клучниот азиско-пацифички регион е уште поголема, односно таму функционира речиси совршено. Исто така, Кинезите вложија многу напори да ја подобрат точноста на системот.
BeiDou дозволува и кратки текстуални пораки до 14 бита (000 кинески знаци). Оваа вредност може да вклучува и фотографии или звучни снимки.
Како и со другите случувања во системите за сателитска навигација, локалните корисници плаќаат за услугата, но резултатите се навистина импресивни.
Прочитајте исто така: Кина исто така е желна да ја истражува вселената. Па, како им оди?
европски Галилео
Која е најголемата предност на системот Галилео? За разлика од ГПС и ГЛОНАСС, тој останува во рацете на цивилите и не припаѓа на некоја посебна влада, како што е случајот во комунистичка Кина. Системот е изграден само имајќи го предвид цивилниот пазар и затоа потребите на населението на крајот влијаат на неговиот развој. Мора да се признае, Галилео е свеж воздух меѓу милитаризираните системи за позиционирање. Досега, програмата Галилео заврши 28 лансирања и стави 30 сателити во орбитата. Во моментов, системот користи целосна констелација на сателити, но не се секогаш достапни сите уреди, а некои од нив сè уште чекаат на ред во магацините.
Сегментот за управување со земја е лоциран во два центри - Оберфафенхофен во Германија и Фучино во Италија. Дополнително, системот вклучува светска мрежа на мониторинг сензори, станици за мерење и пренос на податоци.
Поради фактот што орбитите на сите овие системи стануваат сè позаситени, сателитите Галилео се наоѓаат малку повисоко, на надморска височина од 23 километри (најниска е ГЛОНАСС, потоа ГПС, кинеската БеиДу и на врвот на пирамидата Галилео ). Потребни се приближно 222 часа за секој сателит целосно да орбитира околу Земјата. За повеќето места на земјата, 14 до 6 сателити Галилео се достапни во секое време, што значи многу висока точност, која во повеќето ситуации се мери во сантиметри наместо во метри.
Галилео е компатибилен со ГПС системот, кој дополнително ја подобрува точноста на мерењата, а неговата работа е поддржана и од системот EGNOS (Европска геостационарна навигациска служба), кој се состои од копнени компоненти и сателити одговорни за подобрување на работата и прецизноста на системите за сателитска навигација. .
јапонски МИЧИБИКИ (мичибики)
За да ја обезбеди точноста на навигацијата на сопствената територија, Јапонија создаде мала констелација на сателити наречена квази-зенит сателитски систем (QZSS) или Мичибики. Во планинските или силно урбанизираните области, GPS сам често е недоволен поради премногу пречки. 4 сателити кои работат од ноември 2018 година го елиминираат овој проблем. Тројца од нив се уште се во регионот на Азија и Океанија. Во 2024 година се планира да се достигне сателитско соѕвездие составено од 7 единици. Ова дополнително ќе ја подобри севкупната ефикасност на системот и ќе го направи независен од GPS. Така Јапонија ќе обезбеди целосна автономија на својата територија.
И покрај малите димензии во споредба со другите системи, QZSS ги исполнува сите очекувања на јапонското население, а дополнително го поддржува превозот во сите оние земји кои се наоѓаат на меридијаните што минуваат низ територијата на Јапонија.
Покрај тоа, Јапонија има и систем за прецизна поддршка за GPS/Michibiki наречен MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Се состои од 2 сателити, кои меѓу другото даваат податоци за времето.
NavIC (навигација со индиско соѕвездие) е индиски аналог на GPS, кој се нарекува и Индиски регионален сателитски систем за навигација (IRNSS). Системот, откако ќе ги достигне сите негови можности, во својата работа ќе биде сличен на јапонскиот. Во моментов, во орбитата има 7 сателити кои обезбедуваат позиционирање во Индија и на оддалеченост до 1500 километри од границите на земјата. Системот не зависи од GPS.
NavIC е поддржан од GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), кој се состои од три дополнителни сателити и копнена инфраструктура. Со воведувањето во употреба, јазот помеѓу системите EGNOS и MSAS е премостен, што дополнително го подобрува нивото на безбедност на цивилното воздухопловство.
Глобални системи за помош
Додека ги опишувавме поединечните системи, споменавме и регионални системи за поддршка. Меѓутоа, работата на сателитска навигација надвор од регионалните граници може да ги поддржи и глобалните системи за помош. Во моментов, може да се разликуваат две од нив. Тоа се Omnistar и StarFire. И двете имаат поддршка за сателитска навигација, која најмногу се користи за потребите на модерното прецизно земјоделство. Нивната употреба бара специјални приемници, благодарение на кои земјоделецот, движејќи се низ своите ниви, може да работи со точност до 5-10 сантиметри (системите за поддршка на рекорди даваат точност од 1-2 сантиметри). Таквото прецизно позиционирање се обезбедува како услуга и бара дополнителни надоместоци кои се плаќаат директно за испорака на системските податоци.
Услугата се заснова на системот за диференцијално глобално позиционирање (DGPS) и се сведува на користење на основен приемник кој се наоѓа на одредена локација. Ресиверот на автомобилот, покрај сателитскиот сигнал, добива корекции и од стационарниот основен ресивер.
Omnistar е независна компанија и неговите предаватели може да се купат за различни машини, додека системот StarFire е од производителот на земјоделска опрема John Deere, кој нуди вградени или надворешни системи кои се прецизни до ±3 cm и работат со GPS и GLONASS.
Како функционира GPS?
Во овој дел ќе ја опишеме работата на GPS користејќи ја оригиналната, односно американската верзија, бидејќи моментално имаме најмногу достапни податоци за него. Други работат слично.
Соѕвездие GPS сателити
Прилично густа мрежа на сателити е неопходна за правилно функционирање низ целиот свет. Во случај на соѕвездие од 24 сателити, можеме да бидеме сигурни дека во секое време и во која било точка на Земјата сме во опсег од четири од нив. Американците генерално ветија дека најмалку 24 ќе бидат достапни 95% од времето. Во моментов, системот е поддржан од 31 сателит. Земјата е поделена на 6 еднакви зони низ кои се движат сателитите, а секоја од нив има 4 полиња за покривање.
Во јуни 2011 година беше лансирана модификација наречена Expendable 24. Три од 24 сателити, а со тоа и полињата што ги контролираат, беа засилени со дополнителен сателит со цел да се добие побрзо добивање сигнал и подобра прецизност во услови на тежок терен. Имаше и одредени промени за да се направи целата мрежа од 27 сателити што е можно поефикасна.
GPS сателитите се движат во предвидлива орбита MEO (Mean Earth Orbit) на надморска височина од приближно 20 km, така што секогаш знаете каде се наоѓаат. Покрај тоа, нивната позиција се проверува со помош на радио телескопи. Копнената контролна мрежа се состои од главен контролен центар, резервен контролен центар, 200 командни и контролни антени и 11 станици за набљудување, така што позицијата на сателитите е секогаш позната. Една ротација на секој сателит околу Земјата трае 16 часа.
Како сето тоа функционира во пракса?
Орбитирачкиот сателит постојано пренесува радио сигнали кои ги зема нашата опрема која има соодветни приемници. Секој сателит ја известува својата позиција и време на пренос. Знаејќи дополнително колку брзо патуваат радио брановите, можеме да го пресметаме растојанието од овој сателит. Ако добиеме дополнителни податоци од уште три сателити и преземеме податоци од четири одеднаш, уредот ќе ја пресмета нашата локација на пресекот на податоците што доаѓаат од сите сателити.
За да ги направиме работите да функционираат непречено и прецизно, сè уште ни требаат точни мерења на времето кога се испраќа сигналот. Како беше постигнато ова? Секој од сателитите носи атомски часовник - најточниот хронометар што некогаш го измислил човекот. Која е точноста на таков часовник? Времето се мери со најблиска милионити дел од секундата!
Уредот што прима ги користи сите овие податоци за ефикасно да ја пресмета нашата позиција. Но, целиот систем мора да ги земе предвид и прашањата како што е специјалната теорија на релативноста, која ја напишал господин нашироко познат како Алберт Ајнштајн. Колку подалеку е објектот од изворот на гравитација, толку побрзо минува времето на него, па затоа е неопходно повторно да се пресмета на секој сателит. Накратко, сето тоа е прилично комплицирано, но за среќа, ние го користиме овој систем со години и откривме дека работи и работи прилично добро.
Се разбира, нормалното функционирање на системот бара учество на високо квалификуван персонал, чие ниво на обука може да се спореди со она на Центрите за контрола на вселенски летови.
GPS: милијарди трошоци за програмата
По лансирањето во орбитата, сателитот нема да работи таму засекогаш. Постарите верзии имаат животен циклус од 7,5 години, поновите верзии 12 години, а најновиот GPS III/IIIF систем се очекува да остане во орбитата 15 години (податоци за американската верзија на системот). По ова време, апаратот мора да се замени, па мора да се изгради нов примерок во стерилни услови и дури тогаш ова уметничко дело може да оди во орбитата.
Покрај опремата во вселената, има и опрема за следење на теренот и високо обучен персонал одговорен за контрола на системот. Работата за подобрување на копнената компонента исто така е во тек, со главен фокус сега на новата генерација на оперативен контролен систем (OCX) и сродните потсистеми. Промените се воведуваат постепено, за да не се наруши работата на целиот GPS систем.
За поддршка на целиот систем се потрошени околу 1,7 милијарди долари (фискална 2020 година). За фискалната 2021 година, програмерите побараа од американскиот Конгрес 1,8 милијарди долари за трошоците за одржување на системот ГПС. Затоа, со оглед на ваквите суми, само најголемите земји можат да си дозволат да одржуваат автономен систем, а останатите мора да ги користат постоечките. За да покажеме како расте цената на програмата, можеме само да кажеме дека во 2012 година изнесуваше 750 милиони долари (тука не ја ни земаме предвид инфлацијата, методологијата за пресметка и нејзиното ниво).
Дали е лесно да се блокира GPS?
Полека се забораваат златните денови на ГПС системот во вооружените сили. Слабеењето и заглавувањето на сателитски сигнали стануваат сè почести и како резултат на тоа, прецизното оружје базирано само на вселенски податоци повеќе не е толку ефикасно како некогаш. Проблемот ги засега не само самото оружје, туку и авионите, бродовите, копнените возила и кој било друг уред што е опремен со GPS приемник.
Сме виделе повеќе од еднаш примери за блокирање на GPS сигналот во „жешките“ точки на Земјата. Се случи огромни бродови во пристаништето или пловењето, на пример, во Црното Море, одеднаш да исчезнат од мапите и да се појават на нив на 30 километри, а тоа е поврзано со акциите на Русите во овој регион. Продолжувајќи на оваа тема, треба да се каже дека во Сирија често се одржуваат слични мерки за да се обезбеди функционирање на руските бази во регионот. Дури и Израел страда од вакви пречки, каде што GPS-от понекогаш работи полошо, а тоа е сериозен проблем, на пример за цивилниот воздушен сообраќај.
Мешањето со GPS сигнал не е особено тешко. Радио предавател со соодветна моќност и фреквенција поставен во близина на заштитена цел ги спречува GPS приемниците да ги примаат точните податоци. Производителите на сателити се обидуваат да се изборат со ова со развивање сигнали кои се поотпорни на пречки, кои се опремени со најновите верзии на опремата. Сепак, ова е игра на мачка и глушец, а предноста е на страната на уништувачите. Тие можат побрзо да одговорат на промените со помали трошоци и поголеми можности. На крајот на краиштата, сателитите не се менуваат за една недела.
Покрај подмолните цели, методите за блокирање ГПС се користат и за заштита на шефовите на држави. Не е чудно што Русите се особено љубители на такви алатки. Ова особено се однесува на движењата на Путин, кои толку многу се трудат да ги сокријат што во регионот во кој се наоѓа тој, може одредено време воопшто да не работат сите навигациски системи. Русите максимално ја штитат рутата на патување на нивниот претседател, па со блокирање на навигациските системи, барем делумно се обидуваат да исклучат напад со беспилотни летала.
И покрај горенаведените проблеми и недостатоци, не треба да очекуваме војската да се откаже од ГПС системот. Напротив, ќе се засили борбата против системите за заглавување, а во опремата и оружјето ќе се додадат дополнителни системи кои ќе спречат заглавување на ГПС сигналот.
Инертната навигација ќе продолжи да се подобрува, а прецизното оружје секогаш ќе има во резерва друг, подеднакво ефикасен метод на нишане. Во моментов интензивно се работи на вакви решенија. Се зборува за навигација со слики, астронавигација (враќање назад во времето?) и навигација со магнетна аномалија. Висока технологија! Затоа, нè чекаат уште многу интересни работи.
Сателитска навигација за цивилни цели
Но, просечниот корисник не е многу заинтересиран за тоа што има војската таму. Сакаме GPS да ни помогне точно да ја одредиме нашата локација, така што навигатор правилно поставена рута на пешачење во планина или утринско трчање или за време на патување со автомобил. Сега е тешко да се замисли животот на модерната личност без овие удобности.
Во принцип, можеме да кажеме дека дури и да не користиме директно GPS, односно самите да не го вклучиме ресиверот, сепак можеме да го користиме. Системот работи независно, тој стана познат, удобен и неопходен дел од нашиот живот.
Прочитајте исто така: