Счёт на сантиметры: как и для чего строят «высокоточную GPS»?

Часто ли вам недостаёт точности во время работы с приложениями цифровой навигации? Десять лет назад, когда приёмник сигналов систем глобального позиционирования ещё не стоял в каждом мобильнике, вопрос этот был болезненным. Ориентироваться на местности тогда пытались по вторичным признакам, вроде уникального идентификатора соты или приблизительного места расположения точек Wi-Fi: точность в таком случае варьируется сотнями метров. Удешевление GPS-сенсоров сняло эту проблему. Даже номинальные 10 метров, гарантируемые GPS и ГЛОНАСС, кажутся вполне достаточными для большинства бытовых задач. И всё-таки довольны не все. Япония работает и близка к старту собственной системы QZSS, которая обеспечит точность в единицы сантиметров! И она далеко не единственная, кто занят этой задачей. Но как достигается и для чего нужна такая пунктуальность?

Квази-зенитная спутниковая система (так расшифровывается QZSS) — проект не самый крупный среди себе подобных, но, пожалуй, самый хитроумный из всех. С технической точки зрения это комплекс, состоящий из нескольких спутников и обширной сети наземных автоматических станций, причём работает такой комплекс не сам по себе, а в паре с американской GPS. Спутников планируется семь штук (один уже запущен) и орбиты их будут соотноситься весьма хитрым образом: для наблюдателя, находящегося в районе Земли от Японии до Австралии, они будут рисовать в небе перекошенную «восьмёрку», причём в любой момент времени в зените будет висеть как минимум один аппарат (отсюда и название). Таким образом даже зажатый в «урбанистическом каньоне» из небоскрёбов наблюдатель с высокой степенью вероятности сможет «слышать» сигнал QZSS. Фишка, однако, в том, что сигнал этот будет вспомогательным: в нём будет содержаться лишь поправка, применив которую к сигналам системы GPS, наблюдатель и сможет установить своё местоположение с точностью до тех самых нескольких сантиметров. 

GPS и ей подобные системы (отечественная ГЛОНАСС, а также проектируемые европейская Galileo, китайская BeiDou/COMPASS, индийская IRNSS и другие), вообще говоря, устроены достаточно просто. Весь фокус — в очень точных часах, размещённых на спутниках и в приёмнике: каждый спутник постоянно транслирует в эфир точное время, а наблюдатель, оценив, сколько наносекунд потребовалось сигналу, чтобы добраться от спутника до данной точки пространства, и зная, где находился каждый спутник в конкретный момент, определяет своё местоположение. 

До 2000 года Соединённые Штаты принудительно занижали точность сигналов GPS, доступных гражданским пользователям: нацбезопасность прежде всего! Со временем от этой порочной практики в значительной степени отказались, но точность позиционирования отнюдь не выросла до бесконечности и даже в лучшем случае, без привлечения дополнительных средств, составляет единицы метров для всех GPS-подобных систем.

Обусловлено это множеством сопутствующих негативных факторов. Точные часы по-прежнему весьма дороги и громоздки. Спутники движутся вокруг Земли отнюдь не по математически гладким орбитам, а слегка колеблются и предсказать эти колебания практически невозможно. Наконец, радиосигнал от спутника, проходя через атмосферу, неизбежно и непредсказуемо преломляется (особенно в ионосфере). Всё это заметно влияет на точность определения координат.

Но здесь-то и пригодятся вышеупомянутые наземные станции. Авторы QZSS планируют покрыть Японию сетью из 1200 жёстко привязанных к координатной сетке автоматических приёмопередатчиков, каждый из которых будет оценивать качество прохождения сигналов GPS в данной конкретной точке пространства-времени, формировать поправку на условия в верхних слоях атмосферы и прочие помехи, отправлять её спутникам QZSS, а те уже ретранслировать её обратно на землю, потребителям. Учтя реалтаймовую QZSS-поправку для текущего района на своём устройстве, потребитель сможет узнать свои координаты с точностью до 3 сантиметров по вертикали и сантиметра с небольшим по горизонтали.

Оригинальное и очень красивое решение, правда? На самом деле придумали его не в Японии и не вчера: (не в точности такие, но) подобные системы называют системами дифференциальной коррекции (GNSS augmentation) — они в ходу у специальных служб (в частности, морских) уже много лет и позволяют довести точность геопозиционирования до десятков сантиметров. Заслуга японцев в другом: благодаря постоянно висящему в зените одному из спутников, QZSS будет пригодна для использования в тяжёлых условиях плотной городской застройки, а также в гористой местности (что актуально для Страны восходящего солнца).

Кроме того, хоть к исходу десятилетия все основные системы глобального позиционирования планируют обеспечить субметровую точность (воздержалась, кажется, только Индия), QZSS останется самой точной и дешёвой из всех. Жаль, что работать она будет в полную силу лишь на территории Японии. Но это не повод не задаться следующим вопросом: для чего может быть полезно знать свои координаты до сантиметров?

Ни в коей мере не претендуя на полное раскрытие темы, рискну утверждать, что в данный момент выделяют три направления, на которых сантиметровая точность обещает принести ощутимую пользу. Во-первых, это координация движения летающих дронов — которые местами уже испытываются (Австралия) и обязательно возьмут на себя значительную часть гражданских грузоперевозок.

Во-вторых, это координация движения робоавтомобилей. Будь то передвижение по автомагистрали или обработка сельхозугодий (японцы уже оперируют термином «е-сельское хозяйство»), умение ориентироваться на местности с точностью, превосходящей способности живого существа (прежде всего человека) роботам несомненно пригодится.

И третье направление — это ориентирование в помещениях. Рынок indoor-позиционирования, картографии, уже сегодня кипит; разрабатываются и внедряются фантастически сложные системы локального мониторинга и ориентации, полезные как потребителям, так и бизнесу. Не факт, что QZSS сможет работать внутри помещений, но такая надежда есть — и есть потребность в indoor-системах позиционирования, не требующих установки дополнительных устройств (маячков, видеокамер и пр.) и дополнительных усилий.

QZSS вступает в строй в 2018 году, другие субсантиметровые системы, вероятно, лишь немного задержатся. Самое время генерировать идеи.