Система GPS, разрабатываемая на протяжении десятилетий, стала гораздо более распространенной, чем думает большинство людей. Не только для навигации, её исключительная точность в отсчете времени (+/- 10 миллиардных долей секунды) использовалась бесчисленными компаниями по всему миру для всего, от помощи в управлении энергосистемой до помощи в управлении фондовым рынком и другими банковскими операциями.
Система GPS по существу позволяет компаниям иметь в своих системах точность на уровне атомных часов, включая простую синхронизацию времени по всему миру, без необходимости иметь атомные часы или придумывать собственные системы для глобальной синхронизации.
Проблема заключается в том, что из-за особенностей исходных спецификаций 6 апреля 2019 года многие GPS-приемники практически перестали работать правильно, но их прошивка была своевременно обновлена.
Итак, в чём тут дело, как именно работает система GPS и кому первому пришла в голову идея такой системы?
4 октября 1957 года Советский Союз запустил Спутник. Как вы можете себе представить, этот крошечный спутник, а также последующие спутники в этой линии, находились под пристальным наблюдением ученых всего мира.
Наиболее подходящими для обсуждаемой сегодня темы были два физика из Университета Джона Хопкинса по имени Уильям Гуйер и Джордж Вайффенбах.
Изучая орбиты и сигналы, поступающие со спутников Sputnik, пара поняла, что благодаря скорости движения спутников и характеру их передач они могут использовать доплеровский сдвиг сигнала для очень точного определения положения спутника.
После этого некто Фрэнк МакКлюр, также из Университета Джона Хопкинса, попросил их изучить, можно ли сделать это наоборот. Вскоре они обнаружили, что действительно, используя известную орбиту спутника и изучая сигнал от него во время его движения, наблюдатель на земле может за относительно короткий промежуток времени определить свое собственное местоположение.
Были предложены и, в некоторых случаях, разработаны различные системы. Наиболее примечательной в возможной эволюции GPS была навигационная спутниковая система ВМФ (также известная как Программа транзита ВМФ), которая была полностью запущена к 1964 году.
Теоретически эта система могла сообщить экипажу подводной лодки или корабля,где они, с точностью около 25 метров, хотя местоположение можно было обновлять только один раз в час, и на получение данных уходило около 10-15 минут. Кроме того, если бы корабль двигался, точность снизилась бы примерно на одну морскую милю на 5 узлов скорости.
Другая важная система для окончательного развития GPS была известна как Timation, в которой первоначально использовались кварцевые часы, синхронизированные на земле и на спутниках, в качестве ключевого компонента того, как система определяет, где находится наземный наблюдатель.
Однако с такими относительно неточными часами первые тесты дали точность всего около 0,3 морских миль и потребовалось около 15 минут на получение данных, чтобы определить местоположение.
К началу 1970-х годов была предложена навигационная система с использованием времени и дальности (Navstar, в конечном итоге Navstar-GPS), по существу объединяющая элементы из таких систем, как Transit, Timation и нескольких других подобных систем, в попытке сделать лучшую систему из того, что узнали в этих проектах.
Перенесемся в 1983 год, когда в США еще не было полностью работающей системы GPS, появились первые прототипы спутников, и система медленно тестировалась и внедрялась.
Именно в этот момент рейс 007 Korean Air Lines, который первоначально вылетал из Нью-Йорка, дозаправился и вылетел из Анкориджа, Аляска, в Сеул, Южная Корея.
Какое отношение это имеет к повсеместному распространению GPS, каким мы его знаем сегодня?
По пути у пилотов возникла незамеченная проблема с автопилотом, в результате чего они по незнанию попали в советское воздушное пространство.
Убежденные, что пассажирский самолет на самом деле был самолетом-шпионом, Советы запустили истребители Су-15, чтобы перехватить (по всей видимости) самый плохо подготовленный самолет-разведчик в истории.
Были произведены предупредительные выстрелы, хотя пилот, который это сделал, заявил в более позднем интервью:
Я произвел четыре очереди, более 200 выстрелов. В конце концов, я был заряжен бронебойными снарядами, а не зажигательными снарядами.
Вскоре после этого пилоты Korean Air 007 позвонили в Токийский районный центр управления и попросили подняться на эшелон полета 350 (35 000 футов) с эшелона полета 330 (33 000 футов).
Это привело к тому, что самолет замедлился ниже скорости, на которой обычно работали высокоскоростные перехватчики. Это было интерпретировано как маневр уклонения, хотя на самом деле это было сделано только из соображений экономии топлива.
В советском руководстве разгорелись жаркие споры по поводу того, нужно ли больше времени на идентификацию самолета, что если это был просто пассажирский авиалайнер. Но поскольку он собирался вылететь в международные воды и, возможно, уже был в них в тот момент, было принято решение сначала стрелять, а потом задавать вопросы.
Атакующий пилот описал, что произошло дальше:
Уничтожить цель…! Легко сказать. Но как? Снарядами? Я уже израсходовал 243 патрона. Таранить его? Я всегда считал это дурным тоном. Таран - последнее средство. На всякий случай, я уже выполнил свой ход и шел на него сверху. Тогда у меня появилась идея. Я опустился ниже него метров на два… форсаж. Включил ракеты и резко поднял нос. Успех!
Две ракеты были выпущены и взорваны возле самолета Boeing, причинив значительный ущерб, хотя в подтверждение того, насколько обычно безопасны коммерческие самолеты, пилоты смогли восстановить контроль над самолетом, даже на какое-то время в состоянии поддерживать горизонтальный и стабильный полет. Однако в конце концов они оказались в медленной спирали, которая закончилась катастрофой, в результате которой погибли все 269 человек на борту.
Как прямой результат этой трагедии, президент Рональд Рейган объявил 16 сентября 1983 года, что система GPS, которая ранее предназначалась только для использования в военных целях в США, теперь будет доступна для всех, с первоначальной идеей, заключающейся в многочисленных преимуществах безопасности.
Это подводит нас к тому, как именно работает система GPS.
Осуществляется передача точного расположения сателлитов на орбите и временной метки, когда указанная передача была отправлена. Это время синхронизировано между различными спутниками группировки GPS.
Затем приемник вычитает текущее известное время после приема данных из этого времени передачи, чтобы определить время, которое потребовалось для передачи этого сигнала со спутников в его местоположение.
Комбинируя это с известными местоположениями спутников и известной скоростью света, с которой распространялся радиосигнал, он может затем вычислить с поразительной точностью его местоположение с допустимой погрешностью из-за таких вещей, как ионосфера, мешающая распространению радиосигнала, и других различных факторов.
Тем не менее, даже с учетом этих потенциальных проблем, система GPS последнего поколения теоретически может определять ваше местоположение с точностью до 30 сантиметров.
Однако вы могли заметить здесь проблему. В то время как спутники GPS используют чрезвычайно точные и синхронизированные атомные часы, система GPS в вашем автомобиле, например, не имеет таких синхронизированных атомных часов. Так как же точно определить, сколько времени потребовалось сигналу, чтобы добраться от спутника до самого себя?
Он просто использует по крайней мере четыре спутника вместо трех, что дает ему дополнительную точку данных, необходимую для решения уравнений, чтобы получить соответствующую отсутствующую переменную времени.
Короче говоря, есть только один момент времени, который будет соответствовать краю всех четырех сфер, пересекающихся в одной точке космоса на Земле.
Таким образом, после того, как переменные определены, приемник может соответствующим образом настроить собственное время, чтобы быть почти идеально синхронизированным, по крайней мере, на мгновение, с гораздо более точными атомными часами GPS.
В каком-то смысле это делает GPS чем-то вроде системы 4D, поскольку с ее помощью вы можете знать свою точную точку не только в пространстве, но и во времени.
Постоянно обновляя свои внутренние часы таким образом, приемник на земле оказывается почти таким же точным, как атомные часы, и представляет собой устройство для измерения времени, которое затем почти идеально синхронизируется с другими такими приемниками по всему миру, и все это практически без ограничений.
Говоря о техническом обслуживании, вы, возможно, заметили еще одну проблему, заключающуюся в том, что различные факторы могут постоянно сдвигать спутники GPS с их исходных орбит. Так как же это объяснить?
Станции слежения на Земле непрерывно отслеживают точные орбиты различных спутников GPS, используя эту информацию вместе с любыми необходимыми временными поправками для учета таких вещей, как относительно, часто обновляемых в альманахе и эфемеридах GPS.
Эти два набора данных используются для хранения информации о статусе спутников и позиционной информации и регулярно передаются на приемники, благодаря чему указанные приемники в первую очередь знают точное положение спутников.
Сами спутники также могут при необходимости отрегулировать свои орбиты, при этом этот процесс просто заключается в том, чтобы пометить спутник как «нездоровый», чтобы приемники проигнорировали его, затем переместив его в новое положение, отслеживают эту орбиту, и, как только это будет точно известно, обновляют альманах и эфемериды и снова отмечают спутник как «исправный».
А как насчет той части, в которой мы сказали, что многие устройства GPS могут перестать работать очень скоро, если не будут обновлены?
На рубеже веков произошло то, чего никогда раньше не случалось в мире GPS, - это назвали «генеральной репетицией ошибки 2000 года». Видите ли, как часть метки времени, отправляемой спутниками GPS, есть нечто, известное как Номер недели - буквально количество недель, прошедших с эпохи, первоначально установленной на 6 января 1980 года. Наряду с этой неделей отправляется количество секунд, прошедших с полуночи в предыдущий субботний вечер, что позволяет GPS-приемнику вычислить точную дату.
Так в чем проблема? Оказывается, каждые 1024 недели (примерно каждые 19 лет и 8 месяцев) с эпохи число возвращается к 0 из-за того, что эта целочисленная информация находится в 10-битном формате.
Таким образом, когда это происходит, любой GPS-приемник, который не учитывает изменение номера недели, скорее всего, перестанет работать правильно, хотя характер неисправности варьируется от поставщика к поставщику и устройству, в зависимости от того, как указанный поставщик реализовал свою систему.
Если вы посчитали, вы, вероятно, пришли к выводу, что эта проблема впервые возникла в августе 1999 года, всего через четыре года после того, как сама система GPS была полностью готова к работе.
На тот момент, конечно, GPS не был чем-то, от чего так повсеместно зависели, как сегодня: в 1999 году во всем мире использовалось всего 10-15 миллионов GPS-приемников, согласно отчету 1999 года, подготовленному Управлением Министерства торговли США.
Сегодня, конечно, это число исчисляется миллиардами устройств.
