GPS

GPS (англ. Global Positioning System — американская система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс, также ГПС (глобальная позиционирующая система) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет почти при любой погоде определять местоположение в любом месте Земли (исключая приполярные области) и околоземного космического пространства. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования в гражданских целях — нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.

Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения моментов времени приёма синхронизированного сигнала от навигационных спутников антенной потребителя. Для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на разность моментов приёма сигнала потребителем и момента его синхронного излучения от спутников»: |r − a_j| = c(t_j − τ).

Здесь:

a_j — радиус-вектор j-го спутника,
t_j — момент времени приёма сигнала от j-го спутника по часам потребителя,
τ — неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя,
c — скорость света,
r — неизвестный радиус-вектор потребителя.

История

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 1950-е годы (техническая система — аналог GPS впервые описана в квазифантастическом романе Эрнста Юнгера «Гелиополь», вышедшем в 1949 году). В тот момент, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Важной вехой на пути к созданию межвидовой спутниковой навигационной системы вооружённых сил стал запуск спутников по программе Timation на низкую околоземную орбиту. Работы по программе Timation были начаты в Центральной военно-морской лаборатории в 1964 году. Инициатором программы выступал флот для собственных нужд, и на том этапе о создании единой системы для всех видов вооружённых сил речи не шло.

В 1973 году была инициирована программа «DNSS», позже переименованная в «Navstar» (Navigation Satellite Timing and Ranging — навигационые спутники времени и дальности). Спутники по программе NavStar выводились значительно выше, на среднюю околоземную орбиту. Современное название «GPS» программа получила в декабре 1973 года.

В создании межвидовой спутниковой навигационной системы в 1970-е участвовали три основных вида вооружённых сил США: ВМС, ВВС и Армия. В этом ими преследовались следующие цели:

ВМС — для создания комбинированных инерциально-астронавигационных систем наведения баллистических ракет подводных лодок и уточнения координат подводной лодки в момент перед пуском (для точности наведения);
ВВС — для оснащения военных летательных аппаратов более точной навигационной аппаратурой и повышения точности нанесения бомбо-штурмовых и ракетных ударов;
Армия — для оснащения подразделений низового тактического звена «секция—отделение», «отделение—взвод», «взвод—рота» сравнительно недорогой, портативной и высокоточной системой для решения широкого спектра задач, оперативного получения точных координат на местности своих и противника, целеуказания и корректировки ракетно-артиллерийских ударов и др.

Аппаратура спутниковой навигации и топографической привязки (GPS-приёмник, устройства вывода координат и баллистические вычислители) предназначалась для размещения на кораблях и подводных лодках-носителях крылатых и баллистических ракет, на танках и бронемашинах, оперативно-тактических ракетных комплексах, самоходных артиллерийских установках и буксируемых артиллерийских орудиях, а также других образцах боевой техники.

Первый спутник по программе NavStar выведен на орбиту 14 июля 1974 года. Вывод спутника советской системы позиционирования ГЛОНАСС в 1982 году дал повод конгрессу США выделить деньги и ускорить работы. Шла холодная война, гонка вооружений набирала обороты. В 1983 году начались интенсивные работы по созданию GPS, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году, и GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Техническая реализация

GPS состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Спутники GPS транслируют сигнал из космоса, и все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трём координатам в режиме реального времени.

Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.

Управляющий сегмент представляет собой главную управляющую станцию и несколько дополнительных станций, а также наземные антенны и станции мониторинга, ресурсы некоторых из упомянутых являются общими с другими проектами.

Пользовательский сегмент представлен приёмниками GPS, находящихся в ведении государственных институтов, и сотнями миллионов приёмных устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, GPS используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего по телефону экстренной помощи 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта ЭРА-ГЛОНАСС.
Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, геокэшинг и др.
Геотегинг: информация, например фотографии, «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.