Введение. История РНС
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ
ЛЕКЦИЯ №1
Введение. История РНС
Проблема навигации стояла перед человечеством с древнейших времен. По сути, человек разумный всегда задавал себе два вопроса: 'Где я?" и "Куда я должен двигаться?". Первый вопрос - это позиционирование на местности, второй - прокладка курса, не важно, сухопутного или морского. Все вместе это уже навигация. Простейшая навигация состояла в ориентировании на местности по визуальным ориентирам (река; гора, овраг, рисунок береговой линии). Затем человек научился ориентироваться по солнцу и звездам. Умение позиционировать себя на местности в древние времена имело гигантское значение для народа в целом. Только те народы, которые научились ориентироваться в открытом море по компасу, солнцу и звездам, могли посылать свои торговые и военные корабли через моря и океаны.
Новая эпоха предъявляет новые требования. Военным и гражданским пользователям нужна принципиально новая точность. Сейчас невозможно представить себе гигантский океанский лайнер, курс которого штурман прокладывает по солнцу, звездам и компасу. Но наиболее очевидно проблема точного позиционирования вырисовывается, если вспомнить о чрезвычайно интенсивном воздушном движении в небе большинства стран. Вблизи крупных городов даже незначительное отклонение от курса может стоить жизни сотням людей. Причем, в случае с авиацией, позиционирования в двух измерениях широтадолгота уже недостаточно. Требуется точное позиционирование по высоте, а его не мог предоставить ни один из традиционных методов навигации. Радиолокационные и лазерные высотомеры успешно измеряют расстояние от самолета до земной поверхности в конкретной точке его траектории, но это очень мало помогает взаимносоотнести положение двух или более самолетов в воздушном пространстве. Например, два самолета летят встречными курсами, но высотомер одного из них измеряет в данный момент расстояние до впадины, а второго до холма на земной поверхности. Получаются два разных значения относительнойвысоты, тогда как абсолютнаявысота может совпадать. В какой-то мере эту проблему удавалось решить, сочетая показания радиовысотомера, барометрического высотомера и карты местности. Но для современных условий результирующая точность таких измерений уже слишком мала и небезопасна.
Сокращение GPS впервые возникло в США и означает Global Positioning System - Система Глобального Позиционирования. Строго говоря, это сокращение обобщенное, оно не является именем собственным ни одной из существующих систем. Американская система глобального спутникового позиционирования в процессе развития несколько раз меняла свое название и сейчас называется NAVSTAR. Это сокращение в официальных американских источни ках расшифровывается как Navigation system with timing and ranging, навигационная система с определением времени и дальности. Иногда можно встретить и другой, не совсем корректный вариант: Navigation satellite timing and ranging, измерение времени и дальности посредством навигационного спутника.
Наивно было бы полагать, что только гражданские потребности послужили толчком для создания GPS. Системы глобального позиционирования и в США, и в России создавались, прежде всего, для военных целей. В 1960...1970-е гг. гонка вооружений была в самом разгаре и военные остро нуждались в высокоточной системе позиционирования, действующей в любом месте земного шара и круглосуточно доступной для любого военного объекта. Военные доктрины развитых стран к этому моменту претерпели существенные изменения. Появилось ядерное оружие, имеющее огромную разрушительную мощь, были созданы эффективные носители, способные доставить его в любой регион. Стало очевидно, что при задействовании столь мощного вооружения война просто не может быть долгой, и победит тот, кто первый и с максимальной точностью нанесет дистанционные удары по инфраструктуре противника. Первым требованием военных было создание системы точного наведения ракет и бомбардировщиков на цель. Кроме этого, военноморской флот остро нуждался в эффективной и надежной системе навигации для ракетонесущих подводных лодок. С одной стороны, необходимо обеспечить позиционирование самой субмарины, желательно без частых всплытий, а с другой стороны, организовать наведение на цель имеющихся на борту баллистических ракет.
Следующим, после военных, крупнейшим потребителем услуг точного позиционирования являются государственные картографические службы.
Так почему же для навигационных целей используется именно спутниковая система? Во-первых, истинную глобальность навигационного сервиса может обеспечить только использование спутников, любая другая система заведомо будет иметь локальный характер. Наземные станции можно разместить только на территории своей страны или дружественных стран, морские просторы в этом случае вообще не поддаются полному охвату. Во-вторых, использование станций, находящихся на земной поверхности, не позволяет с необходимой точностью определять высоту объекта. Кроме того, использование спутников, излучающих сверхвысокочастотный сигнал, позволяет сделать пользовательское оборудование по- настоящему мобильным. Мобильность повышается тажке за счет того, что максимально возможная функциональная нагрузка вынесена на спутники и наземные станции управления, а мобильное приемное устройство должно произвести лишь окончательную об работку заранее подготовленной информации.
Каждый спутник, входящий в состав GPS, излучает радиосигнал определенного рода. Любое пользовательское устройство GPS, гражданское или военное, прежде всего, является приемником этих радиосигналов. Именно поэтому возникло устойчивое бытовое словосочетание "приемник GPS". Но сигналы недостаточно принять со спутников, необходимо произвести измерение их параметров, извлечь заложенную в них информацию и произвести довольно сложные вычисления. Полученную информацию чаще всего необходимо отобразить в виде, понятном человеку. Устройство, которое проделывает все эти операции, называют пользовательским терминалом (или приемоиндикатором) GPS, тогда как просто приемник GPS обычно является лишь модулем более сложного устройства или комплексной системы. Но традиционно, в быту, мобильные терминалы GPS называют просто приемниками, и мы тоже будем придерживаться этой терминологии, исключая некоторые особые случаи.
Как это часто случается, потребности стимулируют появление новых возможностей, а новые возможности, в свою очередь порождают новые идеи и потребности. Так, например, с появлением портативных приемников GPS возникла идея создания принципиально новой автомобильной системы безопасности. Такая система способна точно отслеживать координаты автомобиля и передавать их на пост контроля, используя обычную сотовую связь. Появилась возможность принципиально перестроить систему управления движением поездов, размещая на них приемники GPS. Новая система способна не только точно отслеживать и оптимизировать движение поездов, но и автоматически включать режим экстренного торможения при опасном сближении составов.
Более того, в настоящее время GPS используется даже для решения такой чрезвычайно критичной задачи, как автоматическое выведение летательных аппаратов на посадочную глиссаду и далее до точки касания со взлетнопосадочной полосой. Разумеется, в этом случае к системе предъявляются особо жесткие требования и применяются специальные функциональные дополнения. Например, дополняющим компонентом может быть точно позиционированный наземный передатчик, имитирующий сигнал спутника.
За рубежом отсутствие необоснованных бюрократических преград и ценовая доступность бытовых приемников GPS сделали оборудование спутникового позиционирования обязательным элементом оснащения туристов, охотников, рыбаков - иными словами, всех, кто вынужден путешествовать вдали от дома.
Зарубежные автомобилестроительные фирмы встраивают оборудование GPS в некоторые модели автомобилей в качестве штатного оборудования. Пока это лишь дорогие модели, но наблюдается тенденция к комплектации терминалами GPS и моделей среднего ценового диапазона. Можно не сомневаться, что рано или поздно приемник GPS станет обязательным компонентом любого автомобиля.
Если на суше GPS действительно воспринимается, как дополнительное устройство, то в открытом море система спутникового позиционирования почти незаменима. Для современного штурмана терминал GPS - основное средство навигации.
Эти факты лишний раз доказывают, что в ближайшем будущем системы спутниковой навигации будут все больше влиять на качество нашей повседневной жизни, а информация об их устройстве и возможностях имеет большую познавательную ценность.