Запуск первого спутника GPS (1978)

От звезд к радиоволнам

Определение своего места на Земле веками было главной задачей мореплавателей. Широту умели находить по Солнцу и звездам с древности, а долготу научились надежно определять лишь в XVIII веке, когда появились точные морские хронометры: зная точное время в порту отправления и местное время по Солнцу, можно было вычислить, насколько корабль ушел на восток или на запад. Уже тогда выяснилось, что навигация и точное время неразрывно связаны.

В XX веке появились радионавигационные системы. Во время Второй мировой войны британцы создали систему «Джи», а американцы - систему «Лоран»: корабль или самолет определял свое положение, измеряя разницу во времени прихода сигналов от нескольких наземных радиостанций. Эти системы работали на ограниченных территориях и давали точность от сотен метров до нескольких километров.

Сигнал «Спутника»

Идея спутниковой навигации родилась из наблюдений за первым советским спутником. В октябре 1957 года двое молодых физиков из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, Уильям Гир и Джордж Вайффенбах, из любопытства стали принимать радиосигналы «Спутника». Они заметили, что частота сигнала меняется по мере движения спутника - из-за эффекта Доплера, того самого, из-за которого звук сирены проезжающей машины меняет тон. По изменению частоты им удалось вычислить орбиту спутника.

Руководитель лаборатории Фрэнк Макклюр предложил обратить задачу: если орбита спутника известна, то по доплеровскому сдвигу его сигнала можно определить положение приемника на Земле. Это было очень нужно ВМС США: атомные подводные лодки с баллистическими ракетами «Поларис» должны были точно знать свое место, чтобы ракеты попали в цель.

«Транзит»

Так родилась первая в мире спутниковая навигационная система «Транзит». Первый успешный спутник был запущен в апреле 1960 года, а с 1964 года система использовалась флотом, с 1967 года - и гражданскими судами. «Транзит» позволял определить положение с точностью до нескольких сотен метров, а затем и лучше, но лишь когда спутник пролетал над головой - раз в час или реже, причем измерение длилось несколько минут. Для быстро движущихся самолетов и ракет он не подходил.

В Советском Союзе в те же годы создавались подобные системы: военная «Циклон», а затем «Парус» и гражданская «Цикада», спутники которой с 1976 года обеспечивали навигацию морских судов.

Часы на орбите

Для точной навигации в любой момент и в любой точке Земли нужен был другой принцип. Если на спутниках установить очень точные часы и спутники будут постоянно передавать сигналы с отметкой времени, то приемник сможет вычислить расстояние до каждого спутника по времени, за которое сигнал до него дошел. Зная расстояния до нескольких спутников и их положения, можно найти свою точку. Но радиосигнал проходит около 300 метров за одну миллионную долю секунды, поэтому для точности в несколько метров часы должны ошибаться не больше чем на несколько миллиардных долей секунды.

Над этой идеей работали несколько групп. В Военно-морской исследовательской лаборатории инженер Роджер Истон с середины 1960-х годов развивал проект «Тимейшн», в рамках которого на орбиту выводились спутники с высокоточными часами. Военно-воздушные силы финансировали проект 621B, разрабатывавшийся корпорацией «Аэроспейс» под руководством физика Айвена Геттинга. Армия имела собственные проекты. Каждый род войск хотел свою систему.

Выходные в Пентагоне

Объединить проекты поручили полковнику ВВС Брэдфорду Паркинсону, инженеру и выпускнику Военно-морской академии и Массачусетского технологического института. По распространенному рассказу, в выходные Дня труда в начале сентября 1973 года он собрал около дюжины офицеров и инженеров в почти пустом Пентагоне, и за несколько дней они разработали концепцию новой системы, взяв лучшее из всех проектов: спутники с атомными часами, сигналы с особым кодом, позволяющим точно измерять время прихода, и созвездие из спутников на средневысоких орбитах. В декабре 1973 года Министерство обороны одобрило программу, получившую название Navstar GPS - «навигационная система определения времени и дальности, глобальная система позиционирования».

Главной целью были военные задачи: точное наведение бомб и ракет, навигация самолетов, кораблей и войск в любую погоду, днем и ночью, в любой точке Земли. Систему проектировали так, чтобы приемник лишь принимал сигналы, ничего не передавая, - это не позволяло противнику его обнаружить, и число пользователей могло быть неограниченным.

Эйнштейн на орбите

Атомные часы на спутниках должны были учитывать эффекты, предсказанные Альбертом Эйнштейном. Согласно специальной теории относительности, часы, движущиеся с большой скоростью, идут медленнее, - из-за этого часы на спутниках отставали бы примерно на семь миллионных долей секунды в сутки. Согласно общей теории относительности, в более слабом поле тяжести, вдали от Земли, время течет быстрее, - и спутниковые часы уходили бы вперед примерно на 45 миллионных долей секунды в сутки. В сумме часы на орбите спешили бы примерно на 38 миллионных долей секунды за сутки. Без поправки ошибка определения положения росла бы примерно на десять километров в день.

В 1977 году на орбиту был выведен экспериментальный спутник NTS-2 с цезиевыми атомными часами. По известному рассказу, часть инженеров сомневалась в необходимости релятивистской поправки, и часы были запущены без нее, но с возможностью включить ее командой с Земли. Измерения подтвердили предсказание Эйнштейна, и поправку включили. С тех пор частота часов всех спутников GPS заранее чуть-чуть занижается еще на Земле. Так теория, которая когда-то казалась чистой абстракцией, стала повседневной инженерной необходимостью.

22 февраля 1978 года

22 февраля 1978 года с авиабазы Ванденберг в Калифорнии ракетой «Атлас» был запущен спутник Navstar 1, построенный компанией Rockwell International. Это был первый из одиннадцати спутников первого блока, предназначенных для испытаний системы. В 1978 году были запущены еще три спутника, и в том же году испытатели впервые определили свое положение с помощью новой системы. Один из спутников первого блока был потерян в 1981 году из-за аварии ракеты-носителя.

Каждый спутник весил около 750 килограммов, нес солнечные батареи, несколько атомных часов и передатчики. Спутники выводились на орбиты на высоте около 20 200 километров, которые они облетают примерно за 12 часов. В окончательном виде созвездие должно было состоять из 24 спутников в шести орбитальных плоскостях - так, чтобы в любой точке Земли над горизонтом одновременно находились по меньшей мере четыре спутника.

Как работает GPS

Приемник GPS принимает сигналы от нескольких спутников. Каждый сигнал содержит точное время его отправки и сведения о положении спутника. Сравнив время отправки с моментом приема, приемник вычисляет расстояние до спутника. Зная расстояния до трех спутников, можно найти точку пересечения трех сфер, но часы обычного приемника недостаточно точны. Поэтому нужен четвертый спутник: по его сигналу приемник уточняет собственное время. Так определяются широта, долгота, высота и точное время.

За работой системы следят наземные станции, разбросанные по миру, и главный центр управления, расположенный на авиабазе в Колорадо. Они измеряют орбиты спутников и ход их часов и ежедневно передают на спутники поправки.

Важный вклад в точность системы внесла математик Гледис Уэст, работавшая на военно-морской базе Дальгрен в Виргинии. С конца 1970-х годов она занималась моделированием точной формы Земли, которая не является идеальным шаром. Ее работа, долго остававшаяся малоизвестной, лишь в 2010-е годы получила широкое признание.

Рейс 007

Почти двадцать лет GPS оставалась прежде всего военной системой, хотя возможность гражданского использования обсуждалась с самого начала. Поворотным моментом стала трагедия 1 сентября 1983 года. Южнокорейский «Боинг-747», выполнявший рейс 007 из Анкориджа в Сеул, из-за навигационной ошибки отклонился от курса на сотни километров и оказался над советской территорией - Камчаткой и Сахалином. Советский истребитель-перехватчик Су-15 сбил его. Погибли все 269 человек на борту. Трагедия резко обострила советско-американские отношения.

16 сентября 1983 года президент Рональд Рейган объявил, что после завершения строительства GPS будет бесплатно доступна гражданской авиации, чтобы подобные ошибки больше не повторялись. Позднее это обещание было расширено на всех пользователей мира.

Загрубленный сигнал

Военные опасались, что противник сможет использовать точную навигацию для своих ракет. Поэтому гражданский сигнал был сделан менее точным, а с 1990 года включался режим «выборочной доступности» - намеренное искажение сигнала, из-за которого гражданские приемники определяли положение с точностью около ста метров. Военные пользователи с особыми ключами получали точность в несколько метров.

Первым настоящим испытанием системы стала война в Персидском заливе 1991 года. На орбите тогда было лишь около шестнадцати спутников. Военных приемников не хватало, и Пентагон закупил тысячи гражданских приемников, которые солдаты использовали для ориентирования в пустыне, где почти нет ориентиров. Ради этого выборочную доступность временно отключили.

В декабре 1993 года система достигла начальной эксплуатационной готовности, а 17 июля 1995 года, после запуска полного созвездия, была объявлена ее полная готовность. 2 мая 2000 года по распоряжению президента Билла Клинтона выборочная доступность была отключена, и точность гражданских приемников за одну ночь выросла примерно в десять раз. Это открыло дорогу массовым гражданским применениям.

Навигатор в кармане

Первые приемники GPS были громоздкими и дорогими: в начале 1980-х годов военный приемник весил десятки килограммов и стоил десятки тысяч долларов. Электроника быстро дешевела. В 1989 году компания Magellan выпустила первый ручной гражданский приемник, а Trimble и основанная в том же году Garmin начали выпускать приборы для моряков, летчиков и туристов. В 1990 году в Японии появились первые серийные автомобили со штатной системой навигации, показывавшей положение машины на электронной карте.

После отмены загрубления сигнала в 2000 году началась массовая эпоха. Уже через несколько дней американский энтузиаст спрятал в лесу контейнер и опубликовал в интернете его координаты, положив начало игре «геокэшинг». В середине 2000-х годов приемники стали встраивать в мобильные телефоны, а после появления смартфонов спутниковая навигация оказалась в кармане у миллиардов людей. На ней выросли картографические сервисы, такси по вызову через приложения, службы доставки, фитнес-трекеры.

Поколения спутников

Спутники GPS постепенно сменялись. После одиннадцати экспериментальных аппаратов первого блока с 1989 года стали запускать рабочие спутники второго блока, а затем их модернизированные варианты, служившие гораздо дольше расчетного срока. С 2018 года на орбиту выводятся спутники третьего поколения, передающие более мощные и помехоустойчивые сигналы, в том числе новые гражданские сигналы, совместимые с европейской системой Галилео. Общая стоимость создания и поддержания системы за десятилетия исчисляется, по разным оценкам, десятками миллиардов долларов, которые оплачивают американские налогоплательщики, тогда как пользоваться сигналом может бесплатно весь мир.

ГЛОНАСС и другие

Советский Союз создавал собственную систему глобальной навигации, основанную на тех же принципах, - ГЛОНАСС. Первый ее спутник был запущен 12 октября 1982 года. Полное созвездие было развернуто в 1995 году, но в трудные 1990-е годы спутники выходили из строя быстрее, чем заменялись, и система почти перестала работать. Ее восстановили к 2011 году.

Свои системы создали Европейский союз (Галилео), Китай (Бэйдоу, глобальное покрытие с 2020 года), Индия и Япония (региональные системы). Современные приемники в смартфонах одновременно используют сигналы нескольких систем.

Невидимая инфраструктура

Сегодня спутниковая навигация используется повсюду: в автомобилях и смартфонах, на кораблях и самолетах, в сельском хозяйстве, где тракторы с ее помощью обрабатывают поля с точностью до сантиметров, в геодезии, спасательных службах, при наблюдении за движением континентов и вулканов. Не менее важна и другая функция GPS - передача точного времени. Сигналы спутников синхронизируют мобильные сети, банковские и биржевые операции, электросети и интернет. По оценкам, сбой системы обошелся бы мировой экономике в миллиарды долларов в день.

Зависимость от спутниковой навигации породила и новые угрозы: сигналы можно заглушить или подделать, что широко используется в современных военных конфликтах и создает опасность для гражданской авиации и судоходства.

Итоги

• Идея спутниковой навигации родилась в 1957 году из наблюдений за сигналами советского «Спутника»; первой системой стал американский «Транзит».
• В 1973 году группа Брэдфорда Паркинсона объединила военные проекты в концепцию Navstar GPS, основанную на атомных часах на спутниках.
• 22 февраля 1978 года был запущен Navstar 1 - первый спутник системы; полностью она была развернута к 1995 году.
• Работа GPS требует учета эффектов специальной и общей теории относительности.
• После уничтожения советским истребителем южнокорейского лайнера в 1983 году Рейган пообещал открыть GPS для гражданских пользователей; в 2000 году загрубление сигнала было отменено.
• Советская и российская ГЛОНАСС, европейская Галилео и китайская Бэйдоу работают по тем же принципам; спутниковая навигация стала основой современной инфраструктуры.