Ориентация по спутнику. Все о современных методах навигации

«Идеями персональной навигации человечество бредило всю свою сознательную историю. Первобытные люди, уходя на охоту или по своим первобытным делам, должны были вернуться обратно в свою пещеру, чтобы не погибнуть. Они использовали первобытные методы навигации — оставляли зарубки на деревьях и запоминали местность вокруг себя». В наши дни, объясняет доктор физико-математических наук Лев Борисович Рапопорт, мечты о «волшебной карте» все еще не оставили людской род. О современных методах навигации мы узнали из его рассказов и комментариев его коллеги по ИПУ РАН доктора технических наук Евгения Владимировича Каршакова.

«Первый спутник GPS был запущен в 1978 г. Никто тогда не предполагал, что технология спутниковой навигации станет популярной и что ее можно будет использовать в повседневной жизни. Первый спутник запустили военные для своих военных нужд. Первые приемники GPS представляли собой гигантские устройства с огромными антеннами. Чтобы их перевозить, требовался грузовик. Никто и помыслить не мог, что в будущем это будет микрочип внутри сотового телефона. Да и сотовых телефонов тогда не было.

В сказках и мифах говорится о мечте человечества о персональной навигации. Тесей отправился в лабиринт убить Минотавра, а принцесса Ариадна дала ему клубок ниток. Вероятно, это одно из первых персональных навигационных устройств, которое осталось в памяти человечества. В сказках встречаются не только клубочки, но и яблочки, и зернышки. “Иди за клубочком, и он приведет куда надо”. То есть человечество мечтало о персональной навигации довольно долго.

Возможно, что ориентирование на местности стало одной из предпосылок развития интеллекта. Иными словами, людям прошлось поумнеть по сравнению с другими животными, потому что им нужно было ориентироваться на местности, но они были лишены тех способностей, которыми наделены, например, птицы. Птицы могут ориентироваться по магнитному полю Земли. Дельфины и летучие мыши имеют у себя внутри биологически реализованные методы навигации по ультразвуку. Человеку же пришлось искать собственные методы навигации. Всю историю проследить сложно, специалисты скажут больше, но первые методы навигации все же придумали первобытные люди», — рассказал Л.Б. Рапопорт.

Если обратиться к этимологии слова «навигация», то первоначально оно обозначает «ориентирование на море». Сегодня термин применяется в более широком смысле — это ориентация в пространстве. Когда мы говорим «персональная навигация на автомобиле», то имеем в виду ориентацию в пути с целью попадания в нужную точку. Хотя ориентация на море сегодня по-прежнему обозначается этим же термином.

Можно измерить разные физические величины. Например, есть цифровой прибор для измерения температуры тела — термометр. Есть аппараты для измерения физической величины — напряжения в розетке. Есть приборы для определения напряжения аккумулятора. А вот положение в пространстве до последнего времени измерить было невозможно.

В истории развития навигации есть несколько ключевых событий, продолжал свой рассказ ученый. Первый ключевой момент — это 1983 г. В тот год корейский пассажирский лайнер заблудился на Дальнем Востоке и случилась трагическая история: он был сбит по ошибке. После этой трагедии президент США разрешил гражданским пользователям использовать GPS. Это была первая ключевая веха. Но чтобы гражданские пользователи все же не имели такой же точной навигации, как и военные, эта точность искусственно загрублялась.

Вторая веха — это май 2000 г. Тогда властями США было принято решение отменить селективный доступ на спутниках. Иными словами, было выключено искусственное загрубление дальномерных сигналов, используемых в местоопределении. В тот день, точнее в ту ночь, когда был выключен селективный доступ, ошибка позиционирования уменьшилась практически на два порядка, от нескольких десятков метров до 1–2 м. Фактически началась эра персональной навигации.

Сначала это были небольшие приемники с дисплеями для установки на автомобиль. Потом они исчезли, так как были вытеснены комбинированным устройством на обычном смартфоне.

«Сегодня существуют сенсоры, которые определяют местоположение, и они бесконтактны. Они ни с чем не связаны, а у вас в руках и в цифровом виде они покажут, где вы находитесь относительно геоцентрической системы координат. Сам прибор появился в 1980-е гг. первоначально также для нужд американских военных по заказу Министерства обороны США», — отметил Л.Б. Рапопорт.

Способ, который используется в спутниковой навигации, существенно отличается от классической радиолокации, объяснил ученый. Например, есть радиолокационная станция и ее задача состоит в том, чтобы определить координаты самолета. Радиолокационная станция при этом служит приемопередатчиком. Передатчик передает запрос — импульс, который посылается в сторону цели. Затем он отражается от нее и приемник получает ответ. На основе измерения временнóй задержки между посланным и принятым импульсами выносится суждение о расстоянии до цели. Это классическая радиолокация.

«Спутниковая радиолокация — это беззапросная радиолокация. Любой навигационный спутник представляет собой летающую радиостанцию, которая ничего не знает о том, сколько пользователей на Земле ее слушает. О количестве пользователей можно только приблизительно судить по количеству проданных аппаратов для персональной навигации. Но работа любой радиостанции не зависит ни от точного количества слушателей или пользователей, ни от того, где они конкретно расположены.

В основе спутниковой навигации лежит метод так называемой трилатерации, или метод трех геодезических засечек. Предположим, неизвестный объект, положение которого нужно определить, находится в какой-то точке и вы знаете точные координаты трех ориентиров. Если на плоскости, то достаточно знать координаты двух точек.

Вот, скажем, есть дерево. Оно всегда растет на этом месте и никуда не денется. Вы знаете его координаты в некоторой системе координат. Скажем, что для спутниковой навигации используется геоцентрическая система координат. Ее начало находится в центре Земли. Ось Z направлена по оси вращения Земли. Ось X лежит в экваториальной плоскости перпендикулярно оси Z и проходит через нулевой меридиан. Ось Y перпендикулярна Z и X и дополняет их до правой тройки, то есть если мы мысленно поместим себя на кончик стрелки оси Z, то мысленный поворот от X к Y будет видеться нам против часовой стрелки», — начал объяснение Л.Б. Рапопорт.

Есть координаты одного дерева и координаты другого дерева. Для определения своего положения нам нужно измерить расстояние между нашим расположением и первым деревом. Мы знаем, что мы находимся где-то на окружности с центром в точке роста дерева, а радиус этой окружности равен этому самому расстоянию. Итак, мы знаем положение центра и радиус первой окружности. То же самое с другим деревом. Зная его положение и наше расстояние до него, мы строим вторую окружность. Итак, мы находимся на двух окружностях одновременно. Значит, мы находимся в точке их пересечения. Таким образом мы вычисляем свое положение на земле.

«Чтобы определить свои координаты в пространстве, нам нужна третья опорная точка, так как в пространстве три измерения. Нужно, например, третье дерево, висящее где-то в воздухе. Теперь мы, уже говоря о положении в пространстве, ищем точку пересечения трех сфер при условии, что мы умеем вычислять расстояние до их центров.

Чтобы вычислить расстояние от нас до дерева, нам нужно послать сигнал в сторону дерева и поймать отраженный. Это классическая навигация, запросная. А теперь представьте себе, что в каждом из этих трех деревьев есть собственный передатчик, который никак не синхронизирован с вашим приемником. Он периодически посылает повторяющуюся последовательность, так называемый дальномерный код, как будто бы протягивает измерительную ленту с делениями в метрах или даже в сантиметрах. Но начало этой измерительной ленты неизвестно, потому что часы приемника и часы этих передатчиков не синхронизированы, так как это разные электронные приборы», — завершил объяснение Л.Б. Рапопорт.

Казалось бы, решение проблемы очень простое. Чтобы первичным образом синхронизировать принятый дальномерный код и последовательность, сгенерированную в приемнике, нам нужно сначала измерить временную несинхронность между внутренними часами нашего прибора и часами передатчиков на спутниках, а потом ее скомпенсировать, настроив внутренние часы. Сложная ли это задача?

«С точки зрения потребителя никаких сложностей, конечно же, нет. Каждый обладатель навигационной системы носит у себя в кармане часы спутниковой точности. Отклонения при вычислении времени там всего в 10, 15, 20 нс. Но! С точки зрения производителей спутникового навигационного оборудования — задача очень сложная.

Спутники летают, во-первых, очень высоко по сравнению с тем, к чему мы привыкли тут на Земле, а во-вторых, очень быстро. Космические скорости — это порядка 10 км/с. В общем, очень быстро. Из-за этого не хватает нашего школьного понимания механики, а требуется учитывать то, что предложил в свое время Альберт Эйнштейн, а именно релятивистские поправки.

Когда мы видим какой-то быстродвижущийся объект, то чем больше его скорость, тем медленнее на нем течет время с нашей точки зрения, и эту рассинхронизацию часов надо учитывать при расчетах координат и скорости. Но не только ее. Общая теория относительности тоже играет свою роль, потому что на спутнике из-за того, что гравитационное поле на орбите гораздо меньше, время, наоборот, ускоряется, и это ускорение времени, тоже релятивистское, оказывается даже больше, чем поправка из-за скорости. В общем, надо достаточно серьезно корректировать в одну сторону, потом еще немножечко в обратную сторону. Для разработчиков это действительно задача непростая, надо знать теорию относительности, знать ее хорошо и понимать, что на что влияет», — рассказал Е.В. Каршаков.

Обычный стандартный приемник умеет сам вычислять временно́е отклонение от мировых часов с точностью до нескольких наносекунд. Приемник позиционируется в четырехмерном пространстве. Это три пространственные координаты и одна временная, причем примерно с одной и той же точностью позиционирования. Обычные коммерческие приемники позиционируются с точностью в несколько метров.

Таким образом, любой навигационный приемник — дешевый или дорогой, профессиональный или коммерческий — представляет собой не только датчик координат, но и точные часы. Каждая навигационная система предполагает свой источник точных часов, которые служат временным стандартом. В случае GPS, например, это атомные часы.

Методы российской GLONASS и американской GPS обозначаются общим термином GNSS — Global Navigation Satellite System. Эта система объединяет не только российскую GLONASS и американскую GPS. К ней относятся и европейская Galileo, и китайская «Бэйдоу», и индийская, и японская и т.д. Сейчас много систем, которые объединены общим названием GNSS. Приемник GNSS — это универсальный бесконтактный сенсор положения в пространстве.

«Представьте себе, что вы заехали под мост или ваша дорога пролегает через густой лес. Какой-то период времени вы вынуждены ехать под покровом деревьев, или под мостом, или в тоннеле. А спутники летают в небе, и доступ спутниковых сигналов к антенне приемника временно затеняется. Какое-то время, может быть секунду, а может быть и полчаса, вам придется ехать в условиях отсутствия спутниковых сигналов. Для этого используется инерциальная навигация.

Что такое инерциальная навигация? Есть навигационные инерциальные сенсоры. Последнее время используются дешевые, так называемые бесплатформенные системы —акселерометры и гироскопы. Гироскоп — это прибор, который измеряет угловую скорость вращения твердого тела в пространстве, а акселерометр — прибор, измеряющий ускорение, так называемый G-сенсор. Почему G? Потому что этот сенсор акселерометра позволяет измерять ускорение свободного падения. Ускорение присутствует в виде гравитации и в виде геометрической составляющей ускорения. Условно говоря, если мы находимся в какой-то точке, то, может быть, из курса школьной физики, вы помните, что если мы движемся с постоянным ускорением, то пройденный путь равен ½ ускорения, умноженного на квадрат времени движения плюс скорость, умноженная на время движения. То есть мы с помощью акселерометра можем определить свои положение и скорость по истечении некоторого времени при условии, что нам были известны начальные положение и скорость. Например, пока мы едем в туннеле, мы можем на основе измерения ускорения рассчитать свои положение и скорость на какое-то время вперед при условии, что мы знали свои положение и скорость до въезда в туннель.

Однако обычно мы двигаемся хаотично и накапливаются ошибки. Поэтому инерциальная навигация не очень точна, если мы используем дешевые сенсоры. Дорогие сенсоры позволяют получить автономную навигацию в течение достаточно долгого периода времени. Такие сенсоры довольно большие. Они имеют значительную массу и требуют много энергии для своей работы. Они слишком дорогие и слишком громоздкие для персональной навигации. Они скорее уместны на подводных лодках, которые продолжительное время движутся в условиях отсутствия спутниковых сигналов», — размышлял Л.Б. Рапопорт.

«Раньше, еще до появления спутниковых навигационных систем, разрабатывались системы с астрокоррекцией, которые активно применялись в дальней авиации, — когда необходимо было перелететь, допустим, через Северный полюс, где визуальных ориентиров практически нет. Компас не работает, нужны другие средства навигации. И человечество для этих целей уже давно придумало инерциальные навигационные системы, то есть, грубо говоря, гироскоп. Но здесь существует проблема: поскольку мы вынуждены вычислять, насчитывать интегралы, суммировать, маленькие погрешности начинают накапливаться и накапливаться. Даже очень хорошие системы набирают порядка километра ошибки за час. Поэтому необходимо было как-то корректировать эти системы. И один из способов это делать — привязать к гироскопу еще и астродатчик, то есть прибор, который смотрит на звезды», — дополнил Е.В. Каршаков.

Коррекция при помощи ориентации на заданные в начале пути звезды контролирует, если система начинает дрейфовать и отклоняться. Поэтому астродатчики были весьма популярны и долгое время работали как один из основных способов навигации в авиации. А когда появились глобальные спутниковые системы типа GPS или GLONASS, необходимость в подобных датчиках отпала и долгое время сохранялась иллюзия, что они более и не понадобятся. Но современные реалии показывают, что все может поменяться, и даже такси в Москве может опоздать из-за помех, которые накладываются на GPS.

«Помимо звезд, можно пытаться искать другие источники информации о координатах. Скажем, о магнитном поле собрано довольно много данных, есть глобальные мировые программы, которые занимаются изучением магнитного поля Земли. То есть люди непрерывно контролируют, выполняют измерения магнитного поля, контролируют дрейф полюсов магнитного поля, и существуют цифровые модели, набор коэффициентов, зная которые, можно посчитать аналитически магнитное поле в любой точке в любой момент времени.  

Они достаточно точные, но отказаться от спутниковой системы и ориентироваться только по магнитному полю Земли нельзя, у них слишком слабое пространственное разрешение. Условно говоря, самая лучшая известная мне модель соответствует разрешению в несколько километров. Вот с такой точностью можно определить свое местоположение по модели магнитного поля Земли.

Чтобы более точно определить свое положение по магнитному полю, нужна подробная карта магнитного поля конкретной территории. Надо, допустим, полетать над местностью, записать данные, и потом, если потребуется лететь в этом же районе, можно будет уточнять свои координаты», — сообщил Е.В. Каршаков.

Навигационные системы продолжают развиваться. Ученый отметил, что вопрос автономной навигации без использования внешней информации никуда не исчезнет в ближайшие годы. Разработчикам еще предстоит сделать навигацию, которая бы не зависела от спутниковых данных, например, для подводных лодок. Эти работы в первую очередь связаны с улучшением гироскопов.

Так австралийская компания Q-CTRL разрабатывает систему, которая использует квантовые датчики для более точной работы, чем в настоящее время делают инерциальные системы наведения. Она использует то, что известно как квантовое зондирование — это метод, основанный на квантовой запутанности, квантовой интерференции и сжатии квантовых состояний.

Если проще, то это означает, что квантовая навигационная система может использовать движения одного атома для точного определения курса и положения подводной лодки и поддерживать точность определения местоположения. Согласно Q-CTRL, такая система может вычислять местоположение затопленной лодки с точностью до 1,6 км на каждые 1000 часов подводного плавания.

Отдельные задачи связаны с космическими программами, в скором времени нам все чаще придется прибегать к помощи навигационных систем при полетах на Луну или даже на Марс. Уже сейчас ИКИ РАН предлагает использование автономной оптической навигации на окололунных орбитах. Навигация при посадке на Луну может осуществляться с помощью сверхширокоугольной навигационной камеры с углом зрения -180°, функционирующей в комплексе со звездными и инерциальными датчиками ориентации.

Где бы человечество ни оказалось, оно всегда будет стремиться к возможности точно определять своё местоположение. И с годами точность этого определения будет только возрастать.

Источник изображения на главной странице: freepik / Freepik

Информация в статье изложена по материалам интервью.