«Техника-молодежи» 1999 №8, с.2-4
| Сергей ДИНГЕС, кандидат технических наук | ВМЕСТО |
КОМПАСА И СЕКТАНТА,
или Старые песни на новый лад
| Любителям морских путешествий и рыбной ловли весьма пригодится навигационный приемник, совмещенный с эхолотом. |
«Куда идем мы с Пятачком...»
Жизнь многих людей — путешественников, авиаторов, мореходов — зависит от возможности и умения правильно сориентироваться. В буквальном смысле слова. То есть — верно определить свои пространственные координаты: долготу, широту и высоту местонахождения. В настоящее время для этого в любой точке земного шара используются спутниковые, или космические навигационные системы. (Для их обозначения применяют и другие термины — системы позиционирования, местоопределения. В английском языке употребляется аббревиатура GPS: от Global Positioning System — системы глобального позиционирования.)
В состав спутниковой навигационной системы входят: набор находящихся на околоземной орбите спутников; наземный комплекс управления системой; аппаратура, имеющаяся у пользователей — ее часто называют абонентскими устройствами (АУ).
Наиболее простым вариантом такого АУ является специальный навигационный приемник. Его основная задача — прием сигналов со спутника и определение расстояния до него. Каждый находящийся на орбите навигационный спутник непрерывно излучает последовательность уникальных кодов. Известно, в какой момент времени передается любой из них. Приняв код и определив момент времени, когда он был принят, можно найти время t прохождения сигнала от спутника до точки приема. Далее находится расстояние R от нее до спутника: R=vt. где V — скорость распространения радиоволн в атмосфере.
Абонентские приемники измеряют дальность до нескольких видимых в данный момент спутников, координаты которых в любой момент времени с высокой точностью известны, и находят свои координаты как точку пересечения поверхностей равного удаления. Зная расстояние R1 до одного спутника C1, можно определенно сказать только то, что точка приема находится на поверхности сферы радиуса R1, центром которой является спутник C1 (ил. 2а). Если одновременно известно расстояние R2 до второго спутника С2, то пространство, где может находиться точка приема, сужается до окружности, являющейся общей линией пересечения сфер с радиусами R1 и R2 (ил. 26). Знание расстояния до трех спутников дает возможность определить координаты единственной точки приема на поверхности Земли (ил. 2в). При этом для определения долготы, широты и высоты местонахождения приемного устройства необходимо решить систему из трех уравнений. Все вышеуказанные измерения и вычисления производятся абонентским приемником автоматически — практически мгновенно. Несколько минут может занять лишь первое после включения приемника измерение.
Чтобы повысить точность определения координат точки приема, в системе применяют ряд дополнительных мер. Одна из них — прием сигналов с четвертого спутника. При этом может быть устранена систематическая погрешность, определяемая разностью хода часов в приемном устройстве и на борту спутника. Кроме того, сигналы со спутников излучаются обычно на двух частотах. Сравнив время получения сигналов на них, можно определить и учесть задержку, возникающую при прохождении радиосигналов в ионосфере, что дополнительно повышает точность измерений. Потенциальная точность определения координат может быть доведена до нескольких десятков сантиметров. Современные навигационные приемники могут иметь 12 и более рабочих каналов, что не только повышает точность определения координат, но и ускоряет его. Как правило, такие приемники вычисляют еще скорость и направление движения перемещающихся объектов.
«Ищи меня по карте...»
К настоящему времени две страны развернули свои глобальные навигационные системы: США и Россия. Американская система получила название NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging), российская — ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Часто американскую систему для простоты обозначают аббревиатурой GPS. В обеих системах используются по 24 спутника (внешний вид сателлита NAVSTAR показан на ил. 3). Они вращаются вокруг Земли на высотах около 20 тыс. км. Говоря языком специалистов, — это среднеорбитальные спутниковые навигационные системы второго поколения. В качестве общего названия NAVSTAR и ГЛОНАСС используется английская аббревиатура GNSS (Global Navigation Satellite System). Развертывались эти системы прежде всего для нужд военных. Вот уж кому совершенно необходимо знать свои точные координаты. И... чужие. Наверное, многие еще помнят историю с американским шпионом, отловленным два года назад в Ростове-на-Дону вблизи секретных объектов. Об этом в свое время много и по-разному писалось и говорилось. Конец истории вообще покрыт мраком. Шпиона, кажется, отпустили повидаться с родителями в США, откуда он уже и не возвращался. Так вот, этому соглядатаю — специалисту по подвижной связи — было предъявлено несколько обвинений: производство топографических съемок без разрешения, нахождение в запретном районе вблизи секретных объектов, а также... ввоз в Россию без соответствующего дозволения навигационных приемников.
  Принцип определения координат точки приема в спутниковой навигационной системе. |  |
Вспомним также многократно растиражированные истории о том, что изображение территории СССР на картах специально сдвигалось относительно реальных координат именно для того, чтобы запутать Запад. А сегодня ракеты, запущенные с борта подводной лодки и влетающие в окна и под крыши военных объектов, уже никого не удивляют. Недавно по телевидению продемонстрировали кадры испытаний чужеземной ракеты, которая взрывается только в нужном помещении, пробив перед этим заданное количество стен в здании. А ведь такая точность поражения невозможна без ювелирной ориентации летательного аппарата, которая осуществляется опять-таки с помощью спутниковых навигационных систем.
Любопытными с этой точки зрения являются и покрытые глухим туманом истории со спасением пилотов военных самолетов, сбитых над территорией противника. Возможный сценарий событий может выглядеть так. Портативный прибор, находящийся у летчика, автоматически определяет координаты приземления и по радио передает их в закодированном виде на армейский командный пункт. Высланный вертолет со спасательной командой, зная точные координаты приземления пилота, подбирает его гораздо раньше, чем это сделает противник.
Итак, глобальная навигационная система позволяет свободно определять координаты объектов в любой точке земного шара. Означает ли это, что такой возможностью способен воспользоваться и потенциальный военный противник? Чтобы исключить ее, в системах предусмотрен различный доступ. Строго определенной группе пользователей, прежде всего военным, предоставляется возможность определять координаты объектов с повышенной точностью, а прочим желающим (гражданский доступ) — с меньшей точностью, которая явно недостаточна для военных применений. Причем точность определения координат во втором случае даже искусственно ухудшается — так, чтобы погрешность составляла около 100 м.
 Спутник системы NAVSTAR. |
И Россия, и США создавали свои спутниковые навигационные системы прежде всего для нужд военных. Так что по самой своей сути они развернуты для противодействия друг другу. Однако технические характеристики этих систем близки, и достаточно скоро специалисты пришли к мысли о возможности совместного использования NAVSTAR и ГЛОНАСС. Это позволило бы уверенней и быстрей производить навигационные измерения в условиях ограниченной видимости спутников, например, когда в городских условиях они заслоняются зданиями; это дало бы также возможность выбирать спутники из 16—20 видимых. Вскоре выяснилось, что совместное использование спутников российской и американской систем улучшает точность определения координат в несколько раз, и погрешность в этом случае в принципе может быть доведена до нескольких метров для гражданских применений. В настоящее время производится уже целый ряд приемников, работающих по принципу совместного использования навигационных спутников NAVSTAR и ГЛОНАСС.
Сегодня для гражданских применений определение координат объектов с помощью спутниковых навигационных систем происходит с погрешностью, которая составляет в системе NAVSTAR около 100 м, в ГЛОНАСС — около 25 м. Величина этой погрешности зависит от целого ряда факторов и, вообще говоря, не является постоянной. Для ее эффективного снижения применяется дифференциальный навигационный метод DGPS. Суть его состоит в следующем. Если с помощью спутниковой навигационной системы определить местоположение объекта, координаты которого заранее точно известны, то можно найти величину поправки, равную разности между реальными и вычисленными координатами объекта. Эта поправка может быть использована для улучшения результатов местоопределения в приемниках, пользующихся теми же спутниками, что и опорный объект. Величина поправки передается заинтересованным пользователям в некотором ограниченном регионе местности по обычным радиоканалам, принимается и учитывается навигационными приемниками автоматически. Дифференциальный метод позволяет уменьшить погрешность определения координат для гражданских применений до долей метра, а иногда и до нескольких сантиметров.
«Следить буду строго...»
Посмотрим, как используются спутниковые навигационные системы мирными гражданами. Точность определения координат при использовании гражданского кода существенно меньше, чем у военных, однако вполне достаточна для функционирования, скажем, транспортных систем.
 Структура системы управления движением (схема вверху). Диспетчер знает все: где, когда, с кем... |
Проблемой каждого предприятия, имеющего большое количество транспортных средств, является обеспечение ритмичности перевозок — перевозимые грузы должны доставляться до места назначения точно в срок. Чтобы диспетчерское руководство было эффективным, необходимо получать оперативную информацию о том, где в любой момент времени находится то или иное транспортное средство, и, при необходимости, производить коррекцию графиков движения. Современные системы управления движением транспорта, использующие средства спутникового определения координат, позволяют оперативно отслеживать информацию о перемещении транспортных средств, например грузовиков, даже без вмешательства в этот процесс водителей. Типовая структура такой современной системы приведена на ил. 4.
На автомобиле устанавливается антенна навигационной системы для приема сигналов со спутников. Эта антенна закрыта обтекаемым кожухом, герметична, защищена от атмосферных воздействий. Водители за внешнее сходство называют ее «кастрюлей» Приемник навигационной системы, установленный в машине, определяет свои координаты и периодически передает их по специальному радиоканалу на диспетчерский пункт (ДП). Кроме того, в кабине водителя может быть установлен дисплей, на котором отображается карта местности, где находится автомобиль, с указанием на этой карте его положения, координат и вектора скорости.
Процесс вычисления координат и отображения маршрута происходит постоянно, вмешательство водителя в него, как правило, не требуется. Кстати, наряду с навигационными данными, на ДП может передаваться и другая информация, например, сведения об уровне горючего в баке или цистерне, сообщения о том, находится ли водитель на своем рабочем месте, работает ли двигатель и т.п. Автоматически могут транслироваться и экстренные сообщения — например, сигналы о неурочном открытии дверей транспортного средства (скажем, во время движения), о несанкционированном вскрытии перевозимых контейнеров и багажных отделений, о других аварийных ситуациях. Если же в кабине водителя устанавливается клавиатура для набора текстовых сообщений или хотя бы кнопка подачи тревоги, то соответствующие сообщения также могут быть переданы на ДП.
Таким образом, на диспетчерском пункте все время происходит сбор и сохранение в архиве данных от всех транспортных средств, находящихся в дороге. Диспетчер в любой момент времени может определить, где находится каждое транспортное средство, и составить общую картину перевозок или просмотреть график движения конкретного автомобиля за любой промежуток времени (ил. 5). Наверняка это вызовет реакцию протеста у шоферов-дальнобойщиков, которым присуще чувство свободы и независимости (да и кому понравится подобный тотальный контроль?) Но, с другой стороны, водители должны понимать: что бы с ними ни случилось, об этом будут знать и примут необходимые меры. Подобная система управления инкассаторскими перевозками уже была внедрена в Москве одною из банковских структур.
«А путь и далек, и долог...»
Навигационный приемник, называемый также более общим термином «абонентское устройство» (АУ), составляют три основных узла: радиочастотный приемный блок; вычислительный блок, в котором происходит обработка информации и, собственно, нахождение координат точки приема; блок отображения информации.
Необходимы такие приемники самым различным людям — в их повседневной жизни или профессиональной деятельности — лесникам, мореплавателям, транспортникам, геологам, строителям, военным.
В каждом конкретном случае требования, предъявляемые к техническим параметрам, внешнему виду, конструктивному исполнению приемника, — свои. Поэтому в настоящее время выпускаются различные АУ, предназначенные для работы в навигационных системах и отличающиеся функциональными возможностями, характеристиками, стоимостью, внешним видом. Например, приемники для моряков и яхтсменов помещают во влагонепроницаемые корпуса, приемники для рыбаков дополнительно совмещают с эхолотами (ил. 1), а приемники для путешественников — с устройствами космической связи, чтобы можно было передавать и получать сообщения.
Если навигационные приемники предназначены для работы в составе более сложных систем, они могут быть выполнены в виде плат, устанавливаемых в стойки основной аппаратуры. Конкретное выполнение таких АУ сильно зависит от того, где и кем они будут эксплуатироваться, и каждый пользователь может выбрать себе приемник, исходя из собственных требований.