Пока в мире только две полностью функциональные системы глобального позиционирования — GPS и ГЛОНАСС. К 2020 году ЕС и КНР намерены запустить Galileo и «Бэйдоу», а Япония и Индия — свои региональные аналоги. Вполне возможно, что системы эти похожи на бесконечное совершенствование линкоров перед Второй мировой; иными словами, за деревьями общепринятых подходов мы не видим леса альтернативных, значительно более эффективных решений. Именно так считают Хай Фу Цзи (Hai-Fu Ji) и его коллеги из Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук.

Такой может быть область уверенного позиционирования всего для трёх спутников связи со слегка наклонёнными орбитами. Обратите внимание на восьмёрки их траекторий. (Илл. Hai-Fu Ji et al.)

Да, говорят они, для глобальной навигационной системы нужны спутники, передающие сигналы точного времени и использующие для этого синхронизированные атомные часы. Чтобы вычислить местоположение, наземный приёмник должен сопоставить сигналы хотя бы от нескольких аппаратов. В идеале всего спутников надо примерно три десятка — с учётом резерва. Но почему бы не передавать такие сигналы, получаемые от наземных станций, которые ориентируются по собственным атомным часам, при помощи уже существующей сети телекоммуникационных спутников? Дополнительных затрат на выведение не потребуется, а точность за счёт определённо большего числа спутников может даже повыситься.

Утопия? М. Н. Тухачевский тоже, мол, хотел трактора в танки переделывать, да только трактор всё же не танк. Так и здесь: спутники нужны не простые, а с наклонением орбиты, да ещё и находящиеся не только над экватором, как обычные коммерческие… На деле же Китай уже протестировал эту идею в 2005 году, использовав сигналы от телекоммуникационных спутников для обеспечения позиционирования в ряде своих городов.

Ну а как быть с тем, что геостационарные спутники связи висят над экватором, чтобы их сигнал хорошо принимался как к северу, так и югу, как завещал Артур Кларк в известной статье 1945 года? Понятно, что для навигации в направлении запад-восток этого хватит. Тем не менее их нет далеко к северу и югу, что делает определение координат в этом направлении неточным. Именно это ограничение тестировавшейся системы стало причиной её свёртывания.

Хай Фу Цзи отмечает, что на протяжении жизненного цикла геостационарных спутников их «подталкивают» различные силы, «сбивая» с позиции. Солнечное и лунное притяжение, неровности Земли, вызывающие неоднородность её гравитационного воздействия на спутники, световое давление, в конце концов. Для компенсации этого спутники корректируют свое положение двигателями малой тяги. Коррекция «север-юг» используется для компенсации роста наклонения орбиты, а «запад-восток» — для возмещения дрейфа вдоль орбиты. Что характерно, для коррекции «север-юг» требуются куда больше усилий — приращение скорости до 45–50 м/с за год. А вот «западу-востоку» нужно всего 2 м/с за год — и в десятки раз меньше топлива, основного ограничивающего фактора активной жизни спутника. Соответственно, к концу «жизни» топлива так мало, что аппараты корректируют своё положение только в отношении направления «восток-запад», в результате чего получают наклонение орбиты и начинают выписывать «восьмёрки» относительно Земли под ними.

У американской группировки NAVSTAR, как видите, размещение спутников значительно разнообразнее. И тем не менее, возможно, китайцам удастся добиться того же результата при меньших затратах. (Илл. NASA.) 

Эти восьмёрки учёные и предлагают использовать. Спутников таких не меньше, чем у любой развёрнутой системы позиционирования, отмечают они, а стоят они... в общем, ничего не стоят, поскольку всегда готовы — по мере выработки топлива — стать очередной порцией космического мусора. Кроме того, наземные станции, предающие точное время таким спутникам, могут иметь самые последние модели атомных часов (чего не скажешь о спутниках), поэтому такая «мусорная» система навигации может иметь точность до сантиметра, а не до 0,5–1 метра (как военная версия GPS). Внимательный читатель, разумеется, уже понял, что в приполярных областях точность такой системы будет ниже, чем, скажем, у специфически ориентированной группировки ГЛОНАСС. И всё же, учитывая потенциальный стократный разрыв в общей точности, даже ухудшенная, приполярная версия «мусорной» глобальной навигационной системы будет не менее точной и в высоких широтах.

Такая система может быть двухканальной — с передачей информации от каждого приёмника к спутнику, например, для осуществления экстренных вызовов спасателей.

Конечно, остаётся главная проблема всех удачных решений такого рода, с которой в своё время столкнулись и сторонники внедрения дизельных двигателей на транспорте: в альтернативные и однозначно худшие технологии обычных спутниковых систем вложены миллиарды. Тот же Китай в этом году смог обеспечить полное региональное покрытие при помощи системы «Бэйдоу» и специализированных спутников запустил уже слишком много, чтобы без раздумий перейти на новую технологию. Другое дело, что с таким дешёвым «входным билетом» приобрести сантиметровую по точности систему позиционирования могут захотеть другие. Очевидно, Ирану это не дадут сделать санкции, но та же Бразилия или Корея вольны в своих решениях…

Интересно иное: если такая региональная держава захочет сделать свой сигнал открытым даже для высокого уровня точности, борьба с инсургентами в Афганистане существенно усложнится, ведь миномёт и сантиметровая система позиционирования способны на большее, чем просто миномёт и карта за голенищем.

С препринтом соответствующего исследования можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Technology Review.

Источник: http://science.compulenta.ru/724165/