GPS (глобальная позиционирующая система; ), читается как «джи-пи-эс» — американская 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»: .
Здесь:
— радиус-вектор -го спутника, — момент времени приёма сигнала от -го спутника по часам потребителя, — неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя, — скорость света, — 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 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 шлоStatement of Cmdr. A. E. Fiore, U.S. Navy . / Hearings on Military Posture and H.R. 3689, April 11, 1975. — Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1975. — P. 5207-5212 — 5324 p..
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.
К работам по созданию системы были привлечены государственные и частные исследовательские и научно-производственные учреждения: Список задействованных структурStatement of Lt. Col. Leonard R. Kruczynski, USAF, GPS Yuma Test Force . / Hearings on Military Posture and H.R. 3689, April 11, 1975. — Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1975. — P. 5204, 5213, 5214 — 5324 p. Учреждения ВМС США Центральная военно-морская лаборатория, военно-морская база Анакостия, Вашингтон, округ Колумбия; Тихоокеанский морской испытательный полигон, Пойнт-Мугу, Калифорния; Атлантический морской испытательный полигон, Патаксент-Ривер, Мэриленд;
Учреждения ВВС США Управление разработки систем и вооружения, авиабаза им. Эндрюса, Мэриленд; Центр ракетно-космических систем, Лос-анджелесская авиабаза, Калифорния; Лаборатория авионики, авиабаза им. Райта и Паттерсона, Огайо;
учреждения Армии США Агентство спутниковой связи, Форт-Монмут, Нью-Джерси; Управление электроники, Форт-Монмут, Нью-Джерси; Управление материально-технического обеспечения, Александрия, Виргиния; Инженерно-топографические лаборатории, Форт-Белвор, Виргиния Юмский армейский испытательный полигон, Аризона;
Частные научно-производственные учреждения коммерческих структур General Dynamics Corp., Astronautics Division, Сан-Диего, Калифорния (головной подрядчик); Rockwell International, Inc., Space Systems Division, Дауни, Калифорния; TRW Systems Group, Space Technology Laboratories, Inc., Редондо-Бич, Калифорния; Stanford Telecommunications, Inc., Саннивейл, Калифорния; Analytical Sciences Corp., Бостон, Массачусетс; Gruman Aerospace Corp., Бетпейдж, Лонг-Айленд; General Electric Co., Джонсон-Сити, Нью-Йорк.
В дальнейшем, ведущими частными подрядчиками по программе NAVSTAR/GPS выступали подразделения компаний General Electric в Вэлли-Фордж, Пенсильвания и Rockwell International в Сил-Бич, КалифорнияProgram Acquisition Costs by Weapon System. Department of Defense Budget for Fiscal Year 1993 . — January 29, 1992. — P. 116—124 p..
В высших эшелонах власти отношение бюрократии к разрабатывавшейся инновации было довольно скептическим, так как декодирование сигнала не составляло проблемы для средств радиоперехвата СССР, КНР и вооружённых сил других государствStatement of Col. Brad Parkinson, USAF, GPS Program Manager . / Hearings on Military Posture and H.R. 3689, April 11, 1975. — Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1975. — P. 5212 — 5324 p..
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.
Первоначально глобальная система позиционирования разрабатывалась как сугубо военный проект (во-первых, это делалось в интересах соблюдения режима секретности, во-вторых, коммерческие структуры не усматривали в этом проекте больших дивидендов на перспективу от вывода программного продукта на гражданский рынок товаров и услуг, а в-третьих, суммы военных заказов позволяли подрядчикам не задумываться о функционале двойного назначения). Но после того, как в 1983 году оказавшийся в воздушном пространстве Советского Союза гражданский авиалайнер «Боинг-747» рейса KE007 «Корейских авиалиний» был сбит возле острова Сахалин, и, поскольку причиной была названа дезориентация экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган пообещал разрешить использование системы навигации для гражданских целей во всем миреUnited States Updates Global Positioning System Technology. Во избежание военного применения системы точность была уменьшена специальным алгоритмом.
Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. 2 мая 2000 года это загрубление точности отменил своим указом президент США Билл КлинтонGPS-гонка: России не хватает спутников , cnews.ru, 4 июня 2003 г.
Техническая реализация + Спутники Блок Период запусков Запуски спутников Работают сейчас (на 18.10.2022) В резерве На техобслу-живании Все-го Успе-шно Неус-пешно Гото-вится Заплани-ровано I 1978—1985 11 10 1 0 0 0 0 0 II 1989—1990 9 9 0 0 0 0 0 0 IIA 1990—1997 19 19 0 0 0 0 7 0 IIR 1997—2004 13 12 1 0 0 7 0 0 IIR-M 2005—2009 8 8 0 0 0 7 0 1 IIF 2010—2016 12 12 0 0 0 12 0 0 III 2018—2023 5 5 0 0 8 5 0 0 IIIF 2025—2034 0 0 0 0 22 0 0 0 Всего 74 72 2 0 30 31 7 1 (Последнее обновление данных: 17 июня 2020) Подробнее см. 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.
По состоянию на 7 апреля 2020 года используются по целевому назначению 31 космический аппарат (КА). На этапе ввода в систему — 0 КА, выведен на техобслуживание 1 КА.
По состоянию на 5 июля 2021 года 32 КА используются по целевому назначению.
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.
Космические спутники
Орбиты спутников
Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой около (радиус орбиты около ) является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (). То есть, время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки земной поверхности подспутниковой точкой примерно равно 23 часам 56 минутам.
Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на . Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.
Радиочастотные характеристики Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: и (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF излучают также на частоте . Эти частоты являются соответственно 154-й, 120-й и 115-й гармониками фундаментальной частоты , генерируемой бортовыми атомными часами спутника с суточной нестабильностью не хуже 10−13; при этом частота атомных часов сдвинута к значению , чтобы компенсировать релятивистский сдвиг, обусловленный движением спутника относительно наземного наблюдателя и разностью гравитационных потенциалов спутника и наблюдателя на поверхности Земли (см. Время спутниковых навигационных систем). Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.