Для большинства современников GPS – это уже давно, не аббревиатура названия конкретной системы позиционирования (Global Positioning System), а собирательное понятие применимое ко всем приборам или систем спутниковой навигации. Все знают, что где-то на орбите, далеко над нами курсируют аппараты и с помощью их сигналов мы можем точно определить точку координат на планете Земля. Однако мало кто интересовался, как на самом деле эта удобная и доступная вещь появилась и развилась до современного состояния.

Поэтому, вне всякого сомнения, будет полезно немного окунуться в историю и детали.

Эффект Доплера

Серьезная скоординированная научная работа над идеей спутниковой навигации была начата американскими учеными, после запуска, в 1957 году, Советским Союзом первого искусственного спутника Земли. Группа ученых во главе с Ричардом Кершнером, отслеживая сигнал советского сателлита, выяснила, что благодаря эффекту Доплера, частота сигнала равномерно увеличивается с приближением, и уменьшается с удалением источника сигнала. А из этого соответственно следовало, что если точно определить координаты наземного объекта, то становится возможным вычислить точку нахождения и скорость перемещения спутника – и наоборот, информация о точных координатах космического аппарата дает возможность вычислить местоположение и скорость движения любого объекта на земли.

Transit – Timation – Air Force 621B – SECOR

Опираясь на эти исследования, ВМС США в 1958 году начало разработку навигационной системы “Transit”, так как новые подводные лодки типа «Джордж Вашингтон» требовали надежного инструмента определения точных координат для запуска ракет с ядерными боеголовками. Уже в 1959 году был запущен и испытан первый космический аппарат, а в 1963 – американцы имели вполне работоспособную спутниковую навигационную систему, которая определяла точку нахождения недвижимого объекта с точностью до 60 м. Однако точность координат при перемещении объекта падала до 500 м, а также невозможно было определить высоту его пребывания – потому разработки и испытания в этой области продолжились.

Еще одной исследовательской моделью системой позиционирования американского военного флота была Timation, над которой работала Naval Research Laboratory, в процессе работы был сформирован один из основополагающих принципов современного GPS – точные координаты определялись с помощью сигнала как минимум трех космических аппаратов. Первый Timation был запущен в 1967 году.

Параллельно свою систему навигации развивали военно-воздушные силы США – Air Force 621B. Здесь начали внедрять параметры трехмерного позиционированием объекта (широта, долгота и высота нахождения). Именно при разработке Air Force 621B было решено о двух направлениях эксплуатации этой глобальной системы – военный и коммерческий, и в то же время введен идею различной точности для этих целей.

Это, пожалуй, сейчас выглядит несколько комично, но американские сухопутные войска также работали над своим отдельным проектом – SECOR (Sequential Correlation of Range), который в основном применяли для геодезических съемок.

Navstar-GPS

Понятно, что долго такая “многовекторность” продолжаться не могло, и наконец, Пентагон решил унифицировать навигационные проекты своих ведомств. В 1973 году были объединены все исследовательские усилия под эгидой единой программы – DNSS, которая вскоре была переименована в Navstar-GPS (NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System). С каждой вышеупомянутой разработки были взяты наиболее успешные наработки – однако базой стал проект Air Force 621B, поскольку эта модель была самой продуманной.

Уже в середине 1974 на орбиту вывели первый экспериментальный GPS-спутник под названием Block I. В общем, в рамках программы Navstar, их должно быть 24. За период с 1978 по 1985 было запущено 11 сателлитов, каждый их них был оборудован атомными часами, для более точного отсчета времени. Последний двадцать четвёртый заработал только в 1993 Каждый апарат облетал вокруг Земли дважды в сутки, все траектории были так откорректированы, что четыре спутника были в зоне досягаемости, в любое время суток, в любой точке планеты.

Несмотря на многочисленные исследования, испытания и миллиардные расходы, в боевых условиях GPS к концу 80-х использовался эпизодически и сыграл незначительную роль. Только в 1990-1991 во время операции “Буря в пустыне” система была полномасштабно задействована американской армией.

GPS для всех

Понятно, что GPS создавался для задач обороны и национальной безопасности, однако в 1983, после того как СССР сбили в небе над Сахалином южнокорейский пассажирский самолет, президент Рональд Рейган выступил с инициативой, разрешить использование GPS-навигации для гражданских нужд. Изначально сигнал доступен “гражданским”, был намеренно “ухудшен”, с помощью специальной модуляции (Selective Availability), так как оборонные ведомства опасались, что gps-сигнал будет использован потенциальным противником. Массовое коммерческое использование спутниковой навигацией, плюс-минус в современном понимании, развилось лишь с 1995 года. Однако Selective Availability (искусственное ухудшение) было отклонено лишь от 1 мая 2000 года, по распоряжению Билла Клинтона, и, как следствие, погрешность при определении координат упала с 100 до 20 м.

Спутники

Global Positioning System – постоянно находилась в процессе усовершенствования, еще до момента внедрения системы в завершающую стадию функционирования начались конструктивное улучшение спутников:

первыми усовершенствованными аппаратами были спутники Block II, в течение 1989-1990 годов девять таких было выведено на орбиту. В отличие от предыдущего типа, они могли в течение 14 дней работать без связи с наземной станцией управления

второе поколение gps-спутников – Block IIА выводились с 1990 года до 1997 Каждый аппарат был оборудован четырьмя атомными часами (двумя цезиевыми и двумя рубидиевого) и мог не взаимодействовать с командным пунктом на Земле до 180 суток.

следующая модификация появляется на орбите в 1997 году – аппараты Block IIR, которые способны были объединяться между собой в сети для обмена навигационными данными, что позволяло корректировать параметры движения по орбите без вмешательства наземного управления.

В последние годы модернизация и обновление продолжается: космические аппараты Block IIF меняют на орбите Block IIА, а спутники третьего поколения Block IIІ, которые будут работать на основе нового навигационного радиосигнала должны заменить аппараты Block IIR.

Штатная орбитальная группировка GPS состоит из 32 основных космических аппаратов, расположенных на шести круговым орбитам. Дополнительно на некоторых орбитах может находиться один или два резервных КА, предназначенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА. Наклон орбитальных плоскостей 55 °. Высота орбит 20200 км соответствует период вращения 11 ч. 58 мин. Орбиты космических аппаратов являются синхронными.


Leave a Reply

Your email address will not be published.

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*