Вы никогда не задумывались что современной спутниковой навигации уже порядка полувека? Первый спутник по программе «NavStar» был запущен в 1974 году, а «Космос-1413» в далеком 1982-м. Базовые принципы их функционирования с тех пор не сильно изменились, с чем мы столкнулись в 2019 году, когда 6 апреля перестали работать некоторые спутниковые приемники. Оказалось, что при написании их кода в начале 90-х годов никто даже не предполагал что эти приемники будут выпускаться более двадцати лет, что и вызвало программный сбой при переполнении счетчика. Незадолго до этого все узнали про «Платон», а водители открыли для себя GPS глушилки, и способы его обойти. Это в очередной раз ухудшило ситуацию для тех, кому важны точные координаты. И при этом практически никто не пишет о том, куда сейчас будет развиваться спутниковое позиционирование, хотя все признают, что старая технология обросла грузом проблем.
Эта статья является художественным, дополненным и переосмысленным переводом статьи «GPS jamming? No problem, low Earth orbit satellites hold the key to resilient, interference-free navigation» об экспериментах финского ученого Махмуд Эльсанхури.
Разумеется, современные спутниковый приемники гораздо мощнее и точнее чем те, которые существовали раньше. Современному бизнесу нужны точные координаты и за это готовы платить. Есть два пути повышения точности, во первых дополнительные поправочные сигналы транслируемые непосредственно с новых спутников. Речь идет про так называемый L5 диапазон. Использование таких приемников дает точность до 10 см, и не требует никаких дополнительных сигналов. Прогресс идет незаметно для пользователей, все новые мобильные телефоны уже оснащены приемниками с диапазоном L5. Разумеется лучше всего они проявляют себя там, где более плотное покрытие спутниками, на 24 год количество L5 спутников уже увеличилось до 17 из 31 работающего GPS спутника.
Более традиционной является технология RTK, которой тоже уже много лет. Суть в том, что на точность определения координат очень сильно влияет состояние атмосферы (логично, правда?), поэтому если около места проведения работ поставить вторую приемную станцию и затем при определении позиции использовать два этих сигнала — то можно снизить погрешность до сантиметровой. Это может быть настолько важно для обработки полей, для геодезистов, для строителей, что тоже продажа этого «сигнала поправки» тоже стало отдельным бизнесом. Правда не везде, в Европе например, работают бесплатные NTRIP кастеры, работающие за счет бюджета Евросоюза. В нашем случае — есть несколько коммерческих фирм, обеспечивающих доступ в платным RTK данным. Существуют и проекты типа «rtk2go» позволяющие делиться своим RTK потоком, например, с соседями, если у вас есть своя базовая станция RTK. Минус технологии в её сути, если базовая станция далеко от вас, то никакого повышения точности не будет, скорее наоборот, уравнение расчета геопозиции в мозгах приемника не решится. Второй минус — необходимость канала связи с NTRIP кастером. Это одна из причин почему нельзя использовать системы точного земледелия там, где нет устойчивой сотовой связи (либо приходится строить и обслуживать свой собственный радиоканал).
Эти технологии разработанные в 60-х годах прошлого века, устаивали человечество до тех пор, пока не получили особенно широкого распространения, и современная жизнь внесла очень большие коррективы, заставляя думать на дальнейшим развитием.
Глушилки, поддельные сигналы GPS, мы все чаще и чаще сталкиваемся с этими событиями. Иногда это происходит даже непреднамеренно, например в результате того, что в силу работы технологии нельзя четко ограничить защищаемую глушилкой зону, поэтому она «фонит на всю округу». Да что говорить, если глушилками сейчас пользуются и военные, и гражданские службы, и, ни для кого это не секрет, водители грузовиков. Сделать так чтобы при этом не помешать работе навигации там где она должна работать всё сложнее и сложнее. «Обойти» GPS глушилки при тех технологиях которые используются сейчас тоже нельзя. И разумеется это прекрасный стимул и «пинок», для нового витка развития старой технологии.
Всё новое, как правило это переосмысление уже существовавших принципов. Научная работа Махмуда Эльсанхури строится на доработке известной технологии UWB (ультра-широкополосной навигации). Это широко известная технология для позиционирования в ограниченном пространстве. Датчики для её применения можно купить на любом маркетплейсе (например вот: BU01 UWB Indoor Positioning Module Position DW1000 NodeMCU-BU01 Development Board Wideband Ranging 3.3V 5V Onboard PCB Antenna, стоимость модуля чуть больше тысячи рублей). Новизна подхода финских ученых заключается в комбинировании использования низкоорбитальной спутниковой групировки (от 160 км) и UWB позиционирования. В последнее время технологии всё больше и больше обращаются к использованию низких орбит, например Starlink или новые спутники для iOt, которые используют технологии LoRa.
Это довольно интересный подход, который, к тому же, убирает главную проблему GPS — работа только на открытом пространстве. Я общался с инженерами которые использовали UWB в своих проектах, и они утверждают что сантиметровую точность в закрытом помещении достичь довольно легко. Комбинация с низкоорбитальными спутниками и использование много-лучевых антенн (MIMO — massive multiple input multiple output) позволит сделать сигнал более стойким ко внешним воздействиям. Элсанхури утверждает что эксперименты показали увеличение точности позиционирования в полтора-два раза, по сравнению с обычной технологией.
Если у него всё получится, то мы получим навигацию которой не страшны GPS глушилки и которая позволит работать в закрытых помещениях, или, например, тоннелях. Разумеется про GPS глушилки я утрирую, в любом случае можно будет отключить навигацию в охраняемых зонах, но это можно будет сделать более точно и аккуратно.
Конечно, революции в спутниковой навигации мы не ждем, и до коммерческих решений еще далеко, но наличие подобных научных разработок позволяет надеяться что в ближайшие годы мы получим новые, более точные, дешевые и технически простые решения для определения своего положения на планете.