Ограничения спутниковой навигации: проблемы GPS в Арктике
Ожидается, что в ближайшие десятилетия в Арктическом регионе начнется большая активность человека. Однако спутниковая навигация в этом регионе остается неточной и сложной.
Везде, где вы, вероятно, читаете эту статью, вы, возможно, считаете само собой разумеющимся то, что вы можете использовать глобальную систему позиционирования (GPS), возможно, даже в своем телефоне, чтобы наметить направления до ближайшего пункта назначения.
Тем не менее, GPS не так глобален, как предполагает его название: эта технология ненадежна в Арктике, на территории Земли, где хоть и медленно увеличивается человеческая активность за счет туризма, исследований и промышленности. Поскольку лед в Арктике отступает, этот регион может также стать более используемым каналом для судов. Во всех этих случаях важна точная навигация в Арктике, и это особенно важно при авариях, которые могут случиться, и из-за сложности спасательных операций в случае чрезвычайных ситуаций.
Почему GPS не работает в Арктике? На что мы можем полагаться для навигации в этом холодном ландшафте? В данной статье мы рассмотрим основы GPS и некоторые решения или альтернативы, которые предлагают специалисты по спутниковой навигации.
Основы GPS
Если у вас раньше не было причин узнать о работе GPS, то мы начнем в первую очередь с этого. GPS состоит из трех основных элементов: спутниковая группировка из не менее, чем из 24 спутников, наземные станции и приемники (например, один из них находится в вашем телефоне).
Наземные станции отвечают за поддержку спутниковых систем с помощью мониторинга и управления орбитальными параметрами спутников, обновления или корректирования параметров спутников, отслеживания положения каждого спутника, мониторинга работоспособности и активации новых спутников.
Спутники GPS периодически передают свое известное положение, а приемник получает эту информацию. Если приемник может «видеть», по меньшей мере, три спутника (принимать передачу с трех спутников), то с помощью триангуляции можно рассчитать положение по долготе и широте (2D положение). Если используется четвертый спутник, то можно также рассчитать высоту (3D положение).
При этих расчетах вступает в игру сочетание эффекта Доплера и специальной теории относительности: часы на спутниках на орбите идут более быстро, чем часы на вашем телефоне, которые еще и гораздо менее точны. Но через эти расчеты ваше положение всё еще может быть установлено достаточно точно.
Для GPS спутников точные время и синхронизация очень важны для точного позиционирования, поэтому на их борту используются атомные часы. В частности, атомные часы на спутниках GPS обычно основаны на цезии и рубидии с отслеживанием времени по изменению энергетических состояний атомов. Наземные станции периодически подстраивают время на спутниках GPS, поскольку атомные часы уходят примерно на 10 наносекунд за сутки. Эти высокоточные часы также используются для синхронизации времени других систем на Земле, в том числе с обрабатывающих транзакции кредитных и дебетовых карт.
В заключение, GPS (известная как NAVSTAR от Министерства обороны США) – это только одна из используемых сейчас систем, в число которых входят Galileo (Европа), GLONASS (Россия) и BeiDou (Китай). Как правило, эти системы совместимы.
Итак, это была самая базовая информация о том, как эта система работает в целом.
Ограничения, связанные с орбитальным наклоном
Первый барьер, который наверняка встает перед GPS, связан с орбитальным наклоном задействованных спутников. Спутники находятся на одной из шести орбитальных плоскостей, все с наклоном около 55 градусов, хотя некоторые другие спутниковые навигационные системы, в частности Galileo и Glonass, имеют более высокие наклоны в 56 и 64,8 градусов соответственно. Северный полярный круг начинается примерно на 66,5 градусах северной широты. На этих высоких широтах в любой момент времени всё еще видны несколько спутников, но они никогда не проходят прямо над головой. Фактически, при использовании GPS прямо на полюсе, высота самого высокого GPS спутника, который вы сможете увидеть, составляет примерно 45 градусов над горизонтом.
В результате, по словам Анны Б.О. Дженсен и Жана-Поля Сикарда в их статье «Проблемы позиционирования и навигации в Арктике», эта ситуация приводит к «улучшению горизонтальной геометрии спутников, но и к ухудшению вертикальной геометрии спутников по сравнению с ситуациями на средних и низких широтах».
Для этого может быть несколько причин. Во-первых, как правило, в полярных регионах не так много людей, поэтому использование орбит в плоскостях, которые могли бы сделать спутники видимыми, может быть не самым эффективным использованием ресурсов. Каждый спутник необходимо обслуживать и изредка заменять. Поскольку люди в основном населяют области между 55 градусами северной и южной широт, возможно, имело бы смысл сосредоточиться именно на этом регионе. Во-вторых, запуск на полярную орбиту также более сложен, требует больше энергии и более дорог. Таким образом, общий анализ затрат и результатов, возможно, не был благоприятным.
Существуют системы расширения, которые могут работать параллельно со спутниковым позиционированием, но спутники, которые управляют этими системами, также трудно «увидеть» в Арктике, поскольку они находятся на геосинхронной орбите Земли, скорее всего, вблизи экватора.
Ионосферная активность может быть искрометной (в плохом смысле)
Наконец, в Арктическом регионе ощущается большая активность ионосферы, которая колеблется в зависимости от солнечного цикла. Каждые 11 лет наблюдается подъем ионосферной активности, которая может создавать прекрасные северные сияния, но также вызывает множество проблем с электроникой в целом.
GPS спутники не являются непроницаемыми для ионосферной активности, которая может вызывать сцинтилляцию (мерцания) сигнала, создавая изменения в амплитуде и фазе сигналов. Это может привести к ошибкам синхронизации, что затем приводит к ошибкам в расчетах позиционирования.
Будущие решения
По различным методам, которые могут улучшить спутниковое позиционирование, проводится довольно много исследований: разработка более точных атомных часов, повышение устойчивости к сцинтилляции, внедрение более эффективных вычислений – это всего лишь несколько из них.
Для арктических приложений было предложено много решений. Одним из таких решений является реализация многоканальных частот L-диапазона в системах спутниковой навигации. Это позволит получать больше данных для расчета местоположения и поможет преодолеть ионосферные помехи, если используется несколько частот.
Инерциальные навигационные системы (INS) также могут быть сопряжены со спутниковой навигацией, что может компенсировать пробелы в данных во время сцинтилляции. Тем не менее, INS обладают склонностью испытывать трудности в поддержании точного направления, но это несущественно, если сцинтилляционные нарушения происходят в относительно коротких всплесках.
Наконец, для повышения точности GPS в Арктике также может быть реализовано увеличение спутниковых созвездий на средних орбитах Земли. Системы расширения, такие как Wide Area Augmentation System (WAAS) в США, используются в дополнение к GPS для обеспечения еще более точных данных позиционирования, в особенности, они адаптированы для авиации.
Заключение
Если вы каким-то образом окажетесь в Арктике и не сможете получить точные данные GPS на своем телефоне, теперь вы знаете почему.