Шта је ГПС? Зашто нам то треба? Која је разлика између различитих навигационих система? О свему ћемо причати у овом чланку.
ГПС нам се тренутно чини као свакодневна, позната ствар за коју су сви чули и већина их користи у свакодневном животу. Ово је један од алата које користимо у нашим уређајима. При томе, ни не размишљамо о томе како функционише, одакле је, колико је времена, труда и новца требало уложити у стварање овог система. Данас пријемници ГПС сигнала немају само навигатори, телефоне, паметне телефоне, таблете, аутомобиле, али чак и фитнес наруквице и „паметне“ сатове, њихови подаци се користе у индустрији, аматерском и професионалном спорту, релију и тркама, и наравно у војној индустрији. Хајде да ближе погледамо различите навигационе системе.
Шта је сателитска навигација?
Сателитска навигација, или Глобални навигациони сателитски систем, је систем сателита који преноси податке о глобалном позиционирању и прецизном времену. За пренос информација користе се радио таласи одређених фреквенција. Након пријема таквих података, пријемник их израчунава и приказује координате наше локације, односно географску дужину, географску ширину и надморску висину.
Поред основних система (ГПС, ГЛОНАСС, БеиДоу, Галилео), у свемиру постоје и помоћни системи. То су такозвани системи сателитске корекције (СБАС), као што су Глобал Омнистар и СтарФире, који се користе у пољопривреди.
Изнад нас су и регионални системи подршке као што су ВААС у САД, ЕГНОС у ЕУ, МСАЦ у Јапану и ГАГАН у Индији, који се старају о прецизирању података у мањим деловима света. Све ово подржавају земаљске компоненте, о чему ћемо касније. У систему постоји много дефиниција, али нећемо улазити у детаље.
Прочитајте такође: Најважније и најзанимљивије свемирске мисије у 2021
Врсте сателитске навигације
ГПС није једини тренутно доступан сателитски навигациони систем. Изнад наших глава лети неколико врста сателита, одговорних за гео-позиционирање уређаја које држимо у џеповима, носимо на зглобовима или користимо у навигаторима. Зашто постоји више система, а не један? Сигуран сам да је ово питање поставила већина просечних корисника. Чињеница је да је у почетку ГПС систем креиран за војне потребе, а војска и даље има контролу над њим. То значи да контролишу позиционирање свих и свуда у свету. Наравно, ова позиција се многима није допала, не само противницима, већ и пријатељима. Стога су озбиљни светски играчи одлучили да развију своје навигационе системе како би њихова војска имала контролу над њима. Убрзо су се у свету појавили ГПС аналози, који се такмиче једни са другима за титулу најбољих и најтачнијих на тржишту. За нас, обичне кориснике, ово је само предност. Дакле, хајде да покушамо да се позабавимо сваким системом посебно.
амерички ГПС
Ово је први навигациони систем који најчешће користимо. Када размишљамо о сателитској навигацији, обично користимо термин ГПС. Амерички систем се првобитно звао НАВигатион Сигнал Тиминг Анд Рангинг Глобал Поситионинг Систем, или скраћено НАВСТАР-ГПС.
ГПС је у рукама америчке војске, односно америчких свемирских снага. Све уређаје ради исправно проверава Спаце Делта 8, који се налази у бази Схривер Аир Форце у близини Колорадо Спрингса и ради као део ГПС штаба.
Цивилне апликације су само мали додатак војним апликацијама, за које су изглед и највећа прецизност позиционирања приоритет. Цивилни корисници добијају донекле скраћену верзију, али је и даље довољно добра. Не треба нам тачност од неколико десетина центиметара да бисмо возили или трчали, али је потребна све већа тачност, на пример, у навигацији, у картографији, у пољопривреди за праћење поља, у транспортним предузећима за праћење возила и у многе друге области. Стога није изненађујуће што се ГПС систем стално мења, врши се оптимизација сателита.
Током коришћења систем је претрпео промене и још се модернизује, с времена на време се у мрежу уводе сателити са већим могућностима, а стари који су раније коришћени временом се уништавају. Већина њих сагорева у атмосфери, а понекад остаци тону у Тихом океану.
Потпуна спремност ГПС система постигнута је 1993. године, када је потребан број сателита пуштен у орбиту. Али још 1983. администрација Роналда Регана одобрила је дозволу за цивилну употребу система. То се догодило након што је СССР оборио корејски цивилни авион који је грешком нарушио совјетски ваздушни простор. Међутим, у почетку је тачност система за цивилно становништво била ограничена на 100 метара. Али и ово је у то време било довољно да се избегну даље катастрофе.
Рад ГПС система из свемира додатно је подржан од стране ВААС (Виде Ареа Аугментатион Систем) сателита, што обезбеђује неопходну корекцију података за повећање тачности система. Они се налазе у Северној Америци (и делимично у Јужној Америци) и под старатељством су ФАА (Федералне управе за ваздухопловство). ВААС је намењен за подршку цивилним апликацијама за сателитску навигацију.
руски ГЛОНАСС
ГЛОНАСС је скраћеница за Глобални навигациони сателитски систем, који функционише слично америчком ГПС-у. ГЛОНАСС се састоји од 24 активна сателита који се налазе на приближно 19 километара изнад земље, а орбита сателита траје 100 сати и 11 минута. Тестирање система почело је 15. године, дакле још у СССР-у. Заиста је настао као одговор на америчка дешавања, код нас познатија као „Ратови звезда“. Совјетски Савез ни у чему није хтео да попусти пред САД, али су „Перестројка, гласност, убрзање“ урадиле своје. Радови су углавном обустављени због недостатка средстава. Иако, како се касније испоставило, није све било затворено. За Американце је заиста било изненађење када је 1982. године званично објављено да је систем ГЛОНАСС спреман за рад. Руси су 1993. успели да у орбиту избаце читаву плејаду од 1995 сателита.
Али није све било тако добро од почетка. Јељциново доба деведесетих утицало је и на свемирске програме. Није било финансирања, нико није био заинтересован за свемир и сателитску навигацију. Као резултат тога, 2002. године само 7 сателита је још увек било у функцији. Међутим, Руси су се бацили на посао и, у оквиру програма опоравка 2002-2011, пустили у рад побољшане сателите ГЛОНАСС-К, као и пратеће савремене системе земаљске контроле.
У следећој фази модернизације, 2012-2020, главна пажња је посвећена побољшању својстава ПНТ-а (позиционирање, навигација и синхронизација) у циљу повећања безбедности државе и способности њених одбрамбених и цивилних система. Тренутно се ради на следећој генерацији сателита, познатој као ГЛОНАСС-К2.
кинески БеиДоу
Кина је почела да развија сателитски навигациони систем крајем 2000. века. Године 1. успели су да затворе прву фазу развоја БДС-1, који је познатији као навигациони сателитски систем БеиДоу-2. У оквиру овог пројекта, Кини и најближим страним земљама обезбеђени су системи за позиционирање. Следећи корак био је БДС-2020 са сателитском мрежом која обезбеђује покривеност у азијско-пацифичком региону. 3. године, као део пројекта БДС-XNUMX, систем БеиДоу је постао оперативан широм света.
Тренутно је у орбити 35 сателита, а укупно је програм већ извео 59 лансирања са носивим теретом који су следеће генерације система БеиДоу извели у орбиту. Према кинеским властима, више од 400 агенција и 300 научника и техничара учествовало је у креирању програма БДС-000. Да би се подржала најновија констелација сателита, креирано је више од 3 земаљских станица за праћење исправног рада система. Глобална доступност система је процењена на 40 одсто, а за кључни азијско-пацифички регион је још већа, односно тамо ради скоро савршено. Такође, Кинези су уложили много напора да побољшају тачност система.
БеиДоу такође дозвољава кратке текстуалне поруке до 14 бита (000 кинеских знакова). Ова вредност такође може укључивати фотографије или звучне снимке.
Као и код других развоја сателитских навигационих система, локални корисници плаћају услугу, али резултати су заиста импресивни.
Прочитајте такође: Кина је такође жељна истраживања свемира. Па како им иде?
Европски Галилео
Која је највећа предност Галилео система? За разлику од ГПС-а и ГЛОНАСС-а, он остаје у цивилним рукама и не припада ниједној одређеној влади, као што је случај у комунистичкој Кини. Систем је изграђен искључиво имајући у виду цивилно тржиште, те стога потребе становништва на крају утичу на његов развој. Додуше, Галилео је дашак свежег ваздуха међу милитаризованим системима позиционирања. До сада је програм Галилео завршио 28 лансирања и ставио 30 сателита у орбиту. Тренутно систем користи пуну констелацију сателита, али нису сви уређаји увек доступни, а неки од њих и даље чекају свој ред у магацинима.
Сегмент земаљског опслуживања се налази у два центра - Оберпфафенхофену у Немачкој и Фућину у Италији. Поред тога, систем укључује светску мрежу сензора за праћење, мерних и станица за пренос података.
Због чињенице да су орбите свих ових система све засићеније, Галилео сателити се налазе нешто више, на висини од 23 километра (најнижи је ГЛОНАСС, затим ГПС, кинески БеиДоу и на врху Галилеове пирамиде ). Потребно је отприлике 222 сати да сваки сателит потпуно кружи око Земље. За већину места на Земљи, 14 до 6 Галилео сателита је доступно у сваком тренутку, што значи веома високу прецизност, која се у већини ситуација мери у центиметрима, а не у метрима.
Галилео је компатибилан са ГПС системом, што додатно побољшава тачност мерења, а његов рад подржава и ЕГНОС систем (Европска геостационарна навигациона служба), који се састоји од земаљских компоненти и сателита одговорних за побољшање рада и тачности сателитских навигационих система. .
јапански МИЦХИБИКИ (Мицхибики)
Да би обезбедио тачност навигације на сопственој територији, Јапан је створио малу констелацију сателита названу Квази-зенит сателитски систем (КЗСС) или Мичибики. У планинским или јако урбанизованим подручјима, сам ГПС често није довољан због превише препрека. 4 сателита у функцији од новембра 2018. елиминишу овај проблем. Три од њих су још увек у региону Азије и Океаније. У 2024. планирано је достизање сателитске констелације која се састоји од 7 јединица. Ово ће додатно побољшати укупну ефикасност система и учинити га независним од ГПС-а. Тиме ће Јапан обезбедити пуну аутономију на својој територији.
Упркос својој малој величини у поређењу са другим системима, КЗСС испуњава сва очекивања јапанског становништва, а додатно подржава и транспорт у свим оним земљама које се налазе на меридијанима који пролазе кроз територију Јапана.
Поред тога, Јапан такође има ГПС/Мицхибики систем за прецизну подршку који се зове МТСАТ Сателлите Аугментатион Систем (МСАС). Састоји се од 2 сателита, који, између осталог, дају временске податке.
НавИЦ (НАВигатион витх Индиан Цонстеллатион) је индијски аналог ГПС-а, који се такође назива Индијски регионални навигациони сателитски систем (ИРНСС). Систем ће, пошто достигне све своје могућности, по свом раду бити сличан јапанском. Тренутно се у орбити налази 7 сателита који обезбеђују позиционирање у Индији и на удаљености до 1500 километара од граница земље. Систем не зависи од ГПС-а.
НавИЦ подржава ГАГАН (Геосинхрони проширени навигациони систем са ГПС-ом), који се састоји од три додатна сателита и земаљске инфраструктуре. Увођењем у употребу, јаз између ЕГНОС и МСАС система је премошћен, чиме се додатно повећава ниво безбедности цивилног ваздухопловства.
Глобални системи помоћи
Описујући појединачне системе, поменули смо и регионалне системе подршке. Међутим, функционисање сателитске навигације изван регионалних граница такође може подржати глобалне системе помоћи. Тренутно се могу разликовати два од њих. Ово су Омнистар и СтарФире. И једни и други имају подршку за сателитску навигацију, која се највише користи за потребе савремене прецизне пољопривреде. Њихова употреба захтева посебне пријемнике, захваљујући којима пољопривредник, крећући се кроз своја поља, може да ради са тачношћу до 5-10 центиметара (системи за подршку записима дају тачност од 1-2 центиметра). Такво прецизно позиционирање се пружа као услуга и захтева додатне накнаде које се плаћају директно за испоруку системских података.
Услуга је заснована на систему диференцијалног глобалног позиционирања (ДГПС) и своди се на коришћење основног пријемника који се налази на одређеној локацији. Пријемник на аутомобилу, поред сателитског сигнала, прима и корекције са стационарног базног пријемника.
Омнистар је независна компанија и његови предајници се могу купити за различите машине, док је систем СтарФире од произвођача пољопривредне опреме Јохн Деере, који нуди уграђене или екстерне системе који су тачни до ±3цм и раде са ГПС-ом и ГЛОНАСС-ом.
Како функционише ГПС?
У овом делу ћемо описати рад ГПС-а користећи оригиналну, односно америчку верзију, јер тренутно имамо највише доступних података о њему. Други раде слично.
Констелација ГПС сателита
За правилан рад широм света неопходна је прилично густа мрежа сателита. У случају сазвежђа од 24 сателита, можемо бити сигурни да смо у било ком тренутку иу било којој тачки на Земљи у домету њих четири. Американци су генерално обећавали да ће најмање 24 бити на располагању у 95% времена. Тренутно систем подржава 31 сателит. Земља је подељена на 6 једнаких зона кроз које се крећу сателити, а свака од њих има 4 поља за покривање.
У јуну 2011. лансирана је модификација под називом Екпендабле 24. Три од 24 сателита, а самим тим и поља која контролишу, појачани су додатним сателитом како би се постигло брже добијање сигнала и боља тачност у тешким теренским условима. Дошло је и до неких промена како би цела мрежа од 27 сателита била што ефикаснија.
ГПС сателити се крећу у предвидивој орбити МЕО (Меан Еартх Орбит) на висини од приближно 20 км, тако да увек знате где се налазе. Поред тога, њихов положај се проверава помоћу радио телескопа. Мрежу земаљске контроле чине главни контролни центар, резервни контролни центар, 200 командно-контролних антена и 11 осматрачких станица, тако да је позиција сателита увек позната. Једна ротација сваког сателита око Земље траје 16 сати.
Како то све функционише у пракси?
Сателит у орбити непрестано емитује радио сигнале које хвата наша опрема која има одговарајуће пријемнике. Сваки сателит пријављује своју позицију и време преноса. Знајући додатно колико брзо путују радио таласи, можемо израчунати удаљеност од овог сателита. Ако добијемо додатне податке са још три сателита и преузмемо податке са четири одједном, уређај ће израчунати нашу локацију на пресеку података који долазе са свих сателита.
Да би ствари функционисале глатко и тачно, и даље су нам потребна тачна мерења времена слања сигнала. Како је то постигнуто? Сваки од сателита носи атомски сат - најтачнији хронометар који је човек икада измислио. Која је тачност таквог сата? Време се мери до најближег милионитог дела секунде!
Пријемни уређај користи све ове податке да ефикасно израчуна нашу позицију. Али цео систем такође мора да узме у обзир питања као што је специјална теорија релативности, коју је написао господин надалеко познат као Алберт Ајнштајн. Што је објекат даље од извора гравитације, време му брже пролази, па је потребно извршити прерачунавање на сваком сателиту. Укратко, све је прилично компликовано, али на срећу ми користимо овај систем већ годинама и открили смо да ради, и то прилично добро.
Наравно, за нормалан рад система потребно је учешће висококвалификованог особља, чија се обученост може упоредити са нивоом обучености центара за управљање свемирским летовима.
ГПС: милијарде у трошковима програма
Након лансирања у орбиту, сателит тамо неће радити заувек. Старије верзије имају животни циклус од 7,5 година, новије верзије 12 година, а очекује се да ће најновији ГПС ИИИ/ИИИФ систем остати у орбити 15 година (подаци за америчку верзију система). Након овог времена апарат мора да се замени, па се у стерилним условима сагради нови узорак, па тек онда ово уметничко дело може да оде у орбиту.
Поред опреме у свемиру, постоји и опрема за надзор на земљи и високо обучено особље одговорно за контролу система. Рад на побољшању земаљске компоненте је такође у току, са великим фокусом сада на нову следећу генерацију Оперативног Контролног Система (ОЦКС) и сродне подсистеме. Промене се уводе постепено, како се не би пореметио рад целог ГПС система.
Око 1,7 милијарди долара (2020. фискална година) потрошено је за подршку целом систему. За фискалну 2021. годину, програмери су тражили од америчког Конгреса 1,8 милијарди долара за трошкове одржавања ГПС система. Дакле, с обзиром на такве суме, само највеће земље могу себи приуштити одржавање аутономног система, а остале морају користити постојеће. Да бисмо показали како цена програма расте, можемо само рећи да је у 2012. години износила 750 милиона долара (овде чак и не узимамо у обзир инфлацију, методологију обрачуна и њен ниво).
Да ли је лако блокирати ГПС?
Златни дани ГПС система у оружаним снагама полако се заборављају. Слабљење и ометање сателитских сигнала постаје све чешће, а као резултат тога, прецизно оружје засновано искључиво на свемирским подацима више није тако ефикасно као што је некада било. Проблем не погађа само само оружје, већ и авионе, бродове, копнена возила и било који други уређај који је опремљен ГПС пријемником.
Видели смо више пута примере блокирања ГПС сигнала на „врућим“ тачкама на Земљи. Дешавало се да огромни бродови у луци или плове, на пример, у Црном мору, изненада нестану са мапа и појављују се на њима 30 километара даље, а то је повезано са деловањем Руса у овом региону. Настављајући ову тему, треба рећи да се сличне мере често одржавају у Сирији како би се обезбедио рад руских база у региону. Чак и Израел пати од ове врсте сметњи, где ГПС понекад ради лошије, а то је озбиљан проблем, на пример за цивилни ваздушни саобраћај.
Ометање ГПС сигнала није посебно тешко. Радио предајник одговарајуће снаге и фреквенције постављен у близини заштићеног циља спречава ГПС пријемнике да приме тачне податке. Произвођачи сателита покушавају да се боре против овога тако што развијају сигнале отпорније на сметње, који су опремљени најновијим верзијама опреме. Међутим, ово је игра мачке и миша, а предност је на страни разарача. Они могу брже да реагују на промене уз ниже трошкове и веће могућности. На крају крајева, сателити се не мењају за недељу дана.
Поред подмуклих сврха, методе блокирања ГПС-а се користе и за заштиту шефова држава. Није изненађујуће што су Руси посебно наклоњени таквим алатима. То се посебно односи на Путиново кретање, које се толико труде да сакрију да у региону у коме се он налази можда неко време уопште не раде сви системи за навигацију. Руси максимално штите пут свог председника, па блокирањем навигационих система покушавају, бар делимично, да искључе напад дроном.
Упркос горе наведеним проблемима и недостацима, не треба очекивати да ће војска напустити ГПС систем. Напротив, борба против система ометања биће интензивирана, а опреми и оружју ће бити додати додатни системи који ће спречити ометање ГПС сигнала.
Инерцијална навигација ће наставити да се побољшава, а прецизно оружје ће увек имати у резерви још један, једнако ефикасан метод нишана. Тренутно се интензивно ради на оваквим решењима. Говори се о навигацији слика, астронавигацији (враћање у прошлост?) и навигацији магнетних аномалија. Високе технологије! Стога нас чека још много занимљивих ствари.
Сателитска навигација за цивилне сврхе
Али просечног корисника не занима много шта војска тамо има. Желимо да нам ГПС помогне да одредимо нашу локацију тако да навигатор правилно постављена рута планинарења у планини или јутарњег трчања или током путовања аутомобилом. Сада је тешко замислити живот модерне особе без ових погодности.
У принципу, можемо рећи да чак и ако не користимо директно ГПС, односно не укључимо сами пријемник, ипак можемо да га користимо. Систем ради независно, постао је познат, згодан и неопходан део нашег живота.
Прочитајте такође: