Алексей Михайлов, начальник сектора ФГУ НИЦ «Охрана»

В последнее время наблюдается усиленное использование глобальных навигационных систем для определения координат как стационарных, так и подвижных объектов охраны.

Не осталась в стороне от использования современных достижений техники и вневедомственная охрана. В отделах охраны давно уже эксплуатируются такие навигационно-мониторинговые системы, как «Алмаз» (ООО «Кодос-Б», г.Москва), «Арго-Страж» (ЗАО «Навигационные системы», г.Омск), «Аркан» ЗАО «БалтАвтоПоиск», г.Санкт-Петербург, «Приток GPS» ООО («Охранное бюро Сократ», г.Иркутск).

В основе этих и многих других навигационных систем лежит GPS-приемник (навигационная система «Аркан» может использовать и традиционный радиопеленгационный метод определения местоположения объекта), поэтому сотрудникам, использующим в своей работе данные системы, необходимо в общих чертах представлять принципы работы GPS и четко знать, что можно требовать от таких систем, и чего не стоит от них ожидать.

Понимания принципов работы навигационных систем и их правильная эксплуатация является залогом успешной работы.

За таинственной аббревиатурой GPS скрывается Global Positioning System — система глобального позиционирования. Первоначально проект создавался и использовался военными США как средство для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара и имел название Navstar (Navigation system with timing and ranging — навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позже.

Принцип работы GPS

В основу работы любой навигационной системы положен принцип триангуляции, т.е. определение местоположения объекта по дальности до трех известных точек в пространстве.

Для простоты будем считать, что у нас имеются три неподвижных спутника, и мы с высокой точностью знаем их координаты, тогда, анализируя время распространения синхронно излучаемого от них радиосигнала, мы определим свои координаты в трехмерном пространстве. Дальность до цели, анализируя время прихода отраженного радиосигнала сигнала от объекта, в радиолокации определяли еще в начале ХХ века, в спутниковых навигационных системах используется тот же принцип.

К сожалению, на этом сходство между традиционными и спутниковыми системами определения местоположения объектов исчерпывается. В реальной жизни спутники двигаются с огромной скоростью по своим орбитам на высоте порядка 20 тыс. км. Поэтому на Земле мы не знаем время синхронного излучения со спутников и их координаты.

Для разрешения данных противоречий разработчики решили установить на борту спутников атомные часы. Они исключительно точные и дорогие. Они стоят около 100000 долларов, и каждый спутник имеет их 4 штуки, чтобы можно было гарантировать надежность работы. Таким образом, была решена проблема синхронизации (вопрос одновременного излучения радиосигнала) со спутников.

Вопрос определения местоположения спутника на орбите решается путем передачи с наземных станций слежения данных об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения,

системы связи и центр управления, подконтрольные министерству обороны США. Принимая во внимания то, что полет на высоте 20 тыс.км происходит в безвоздушном пространстве, он с высокой точностью описывается математическими зависимостями. С учетом всего выше сказанного была решена проблема определения местоположения спутника на орбите.

Осталось решить вопрос определения точного времени в наземном приемнике GPS-cигнала. Дело в том, что наши часы в приемнике GPS-сигнала имеют огромную погрешность измерения времени по сравнению со скоростью распространения радиосигнала в пространстве.

Для решения этой проблемы используется сигнал от четвертого спутника. Рассмотрим рис. 1.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис. 1), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.1). Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, однако надо произвести коррекцию времени в приемнике GPS, поэтому, получив сигнал от четырех (или больше) спутников (данные окружности на рисунке не показаны, чтобы не загромождать рисунок), приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Наиболее важное:

1. Для определения координат объекта GPS должен «видеть» не менее четырех спутников.

2. Чем больше спутников «увидел» приемник, тем он точнее определяет свои координаты.

Точность определения координат в GPS-системе

Неоспоримым достоинством GPS является высокая точность определения координат независимо от расположения объекта мониторинга на местности. Дело в том, что для обеспечения глобального действия на орбите постоянно находятся 24 спутника, находящиеся на орбитах с различным склонением и теоретически обеспечивающие их видимость в любой точке земного шара. Для решения этой задачи достаточно, чтобы на орбите находилось 18 спутников, однако было решено использовать 24 — для повышения точности определения координат самих спутников.

Точность определения координат в GPS-системе зависит от многих параметров, зависящих как от физических параметров (в частности от соотношения сигнал/шум в принимаем сигнале см. далее), так и от позиции хозяина системы (США). В системе GPS существует режим селективного доступа (SA — selective availability) — погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников, что США проводили во время операции «Буря в пустыне» в Ираке. На рис. 2 приведен график определения ошибки в режиме селективной погрешности и без неё.

Точность определения координат зависит также:

  1. От состояния атмосферы и ионосферы, поскольку скорость распространения электромагнитного поля постоянна только в вакууме, а любая среда распространения вносит изменение в скорость распространения радиосигнала;
  2. От «многолучевого» распространения радиосигнала;
  3. От взаимного расположения спутников на небосводе, так называемый «GDOP» (геометрический фактор снижения точности);
  4. От математической обработки на борту спутника и многого другого.

С учетом всего вышесказанного GPS-приемник может полностью перестать определять свое местоположение около рядом стоящих высотных зданий (так называемые городские колодцы), в густом еловом лесу, и конечно, внутри капитального строения или металлического гаража или ангара.

Некоторые частные охранные фирмы заявляют о возможности охраны жизни и здоровья граждан от нападения с помощью GPS-приемника + сотового телефона, однако этим пользователям надо помнить, что определить местоположение человека с помощью GPS внутри здания, в подъезде, в транспорте (т.е. там, где чаще всего и происходят нападения) невозможно.

Реальная точность определения координат в системе GPS в условиях России составляет 10-25 м. Естественно, эта точность не является максимально достижимой для системы GPS, с использованием дифференциальных методов определения точность может доходить до 10 см и менее, но мы должны говорить о тех системах, которые реально используются в отделах охраны.

Наиболее важное:

  1. Навигационные системы GPS характеризуются высокой точностью определения координат (порядка 10-25 м) вне зависимости от расстояния объекта охрана от ПЦО и времени движения объекта.
  2. Точность определения координаты может быть уменьшена владельцем системы (США) вплоть до полной невозможности определения координат.
  3. GPS-приемник может полностью перестать определять свое местоположение около рядом стоящих высотных зданий (так называемые городские колодцы), в густом еловом лесу, и конечно внутри капитального строения, металлического гаража или ангара.

Помехозащищенность GPS-системы

Помехозащищенность GPS-системы, с точки зрения использования их в охранных системах. Дело в том, что мощность передатчика спутника ограничена мощностью в 50 Ватт для диапазона излучения L1 и 8 Ватт для диапазона L2, а высота подвеса спутника составляет порядка 20 тыс. км.

Поэтому нетрудно понять, сколь мизерная плотность потока электромагнитного излучения приходит на антенну GPS. Простой геометрический расчет показывает, что при ширине диаграммы антенны передатчика в 2є и высоте спутника над поверхностью Земли в 20000 км

поток электромагнитного излучения приходится на окружность с диаметром в 700 км. Данное положение немного спасает гигагерцовый диапазон излучения (с ростом рабочей частоты уровень шума в среде падает), зато при этом накладывается ограничение по огибанию электромагнитной волной препятствия. Распространение электромагнитной волны в этом диапазоне происходит практически прямолинейно.

Следующий момент, который часто упускается из виду: GPS-приемник определяет свои координаты в месте его нахождения, а информацию о координатах надо передать на ПЦО. Как правило, для этого используют сети сотовой связи или УКВ-радиоканал со всеми отсюда вытекающими последствиями.

Сети сотовой связи легко подавляются, пользователь полностью зависит от качества услуг, предоставляемых сотовой компанией, которая по большому счету не несет ответственности за скорость доставки извещения, надежность связи и долгосрочность своих обязательств перед клиентом. Однако большая зона покрытия, малая цена оборудования (но не цена регулярной передачи координат объекта), является привлекательной чертой такого решения.

Радиоканал УКВ-диапазона является более надежным каналом связи по сравнению с сотовыми сетями, не требует посредника по передаче координат между объектом охраны и ПЦО, но характеризуется гораздо меньшей зоной покрытия и необходимостью иметь собственный частотный ресурс, что не всегда просто осуществить. В данном случае отсутствует необходимость оплачивать трафик обмена между объектом охраны и ПЦО.

Наиболее важное:

Пользователь достаточно четко должен представлять все подводные камни, связанные с использованием GPS-мониторинговых систем, и грамотно составлять договора на услуги, предоставляемые клиенту, которые должны учитывать форс-мажорные обстоятельства.

GPS или «Глонасс»

Если GPS — это глобальная позиционная система производства США, то ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система) производства СССР — России. В благословенные времена СССР обладал полноценной спутниковой системой навигации, идентичной по характеристикам системе позиционирования США, которая использовалась в основном в военных целях.

Затем, за годы перестройки, большинство спутников системы ГЛОНАСС «попадало» или вышло из строя и в худшие годы вместо 24 спутников на орбите находилось только 7 спутников. На 2006 год на орбите находятся 16 спутников, из которых работают или будут работать в ближайшее время (поскольку некоторые из спутников находятся на этапе полной выработки своего ресурса) только 9 штук.

В начале развития в России спутниковой навигации для гражданского применения на рынке были представлены навигационные приемники, позволяющие принимать сигналы как GPS, так и ГЛОНАСС, что, несомненно, правильно, поскольку вдвое возрастает количество спутников потенциально доступных для приема. Это, в свою очередь, позволяет увеличить вероятность определения местоположения и точность координат.

Однако в связи с фактической гибелью системы ГЛОНАСС в конце 90-х годов в настоящее время на свободном рынке России присутствуют только приемники системы GPS. Но не все так плохо, как кажется.

Президент России Владимир Путин определил как приоритетную национальную программу возрождения навигационной системы ГЛОНАСС, и в 2007 г. планируется иметь на орбите 18 работающих спутников, а к 2010 г. — 24 спутника, что позволит исключить зависимость в таком важном вопросе, как глобальное определение координат (в первую очередь для гражданского и ведомственного применения*), от воли США.

(*У читателя может создаться впечатление, что в настоящее время российские военные не могут определять свои координаты. Это не совсем так, военная навигация всегда использует дублирующие системы, например системы навигации, основанные на использовании радиомаяков, механических гироскопов, кольцевых лазерных гироскопов, систем, регистрирующих изменение магнитного поля Земли, или иных принципов, неизвестных автору. Однако все эти системы характеризуются высокой ценой, гораздо более низкой точностью определения координаты (пожалуй, за исключением систем на основе кольцевых лазерных гироскопов) и тенденцией к зависимости точности определения координат от времени движения объекта (эффект накопления ошибки).

Исходя из всего сказанного, уровень навигации этими средствами ограничивается уровнем летательного аппарата (самолет, вертолет), а использование спутниковой навигационной системы позволяет отслеживать местоположение при относительно небольших материальных затратах огромного количества объектов, вплоть до положения отдельного солдата на более боя, что и реализуется в США (создание так называемых «компьютерных» дивизий, в США уже созданы две такие дивизии).

Наиболее важное:

  1. В настоящее время доминируют на отечественном рынке приемники системы GPS.
  2. Разработчику навигационных систем, как и пользователю, необходимо задумываться о совместном использовании в ближайшем будущем систем GPS и ГЛОНАСС.
  3. По мере создания полноценной орбитальной группировки необходимо перейти на систему ГЛОНАСС (правда, это реально будет возможно осуществить при стоимости приемника системы ГЛОНАСС равной или меньшей системы GPS, при приблизительно равных технических характеристиках приемников обеих систем).

На создание реально конкурентно-способной отечественной глобальной навигационной системы не жалко потратить и деньги стабилизационного фонда России, хотя это уже не тема данной статьи.

Выводы:

  1. Система глобальной навигации является одним из последних достижений современной инженерной мысли и должна активно использоваться в практике работы ОВО.
  2. Система глобальной навигации не является панацеей от всех бед.
  3. Экономически неоправданное, технически необоснованное применение без учета особенностей работы навигационной системы может привести к полной дискредитации данного направления в глазах потребителя.

Статья подготовлена совместно с редакцией журнала «Охрана»