Ледокол «Арктика»

Как только не пытались бороться со льдом! Его таранили, вспахивали, пилили, растапливали, даже травили химикатами. Во времена Петра Великого, чтобы провести суда через ледяные поля, в последних пешнями и топорами прорубали неширокие каналы. Тогда же придумали ледокольные паромы – тоже деревянные, несамоходные длиной 8,5 метров, шириной 2,5 метра с поднятым штевнем и до предела заполненной чугунными чушками кормой. Такой паром лошади тянули по ледовому покрову, продавливая в нем судоходный канал, который потом очищали от обломков.

В начале XIX столетия в России на некоторых коммерческих судах к носовой части приставляли деревянный или металлический таран либо крепили к форштевню заостренные металлические башмаки.

Американцы пробовали применить для тех же целей колесо, смонтированное на носу судна и оснащенное металлическими ножами, зубьями и иглами. Испытывали и более сложные инженерные системы. К ним, в частности, относился «ледокольный снаряд», представлявший собой хитроумный механизм, размещенный в передней части судна. Он состоял из горизонтальных полозьев, которые при движении переносили на лед тяжесть корпуса. Одновременно в ледовый покров вгрызались мощные циркуляционные пилы, а сверху еще обрушивались подвешенные на цепях увесистые гири-молоты. По мнению авторов этого проекта, такого комбинированного воздействия не мог бы выдержать лед любой толщины.

Не менее любопытным был проект шинно-гиревого ледокола, разработанный в середине 1860-х годов по предложению кронштадтского инженера Н. Эйлера. Такое судно предполагалось оборудовать массивным стальным тараном, рядом с ним, но на верхней палубе, установить десять кранов и с их помощью одновременно или поочередно разбивать лед чугунными гирями весом по 640 килограммов, сбрасываемыми на цепях с высоты 2 метров.

Опробованные судостроителями, моряками и изобретателями устройства, созданные методом проб и ошибок, в конце концов, привели их к мысли, что оптимальное решение столь сложной инженерной задачи заключается отнюдь не в усложнении конструкции ледокольного судна. Напротив, оно должно быть относительно простым и сочетать наиболее эффективный, проверенный многовековой практикой опыт борьбы со льдами со значительной энерговооруженностью.

12 марта 1897 года на заседании Академии наук выступил старший флагман 1-й флотской дивизии вице-адмирал С.О. Макаров. «Он сказал, что Россия своим фасадом обращена к Ледовитому океану и поэтому ни одна нация не заинтересована в ледоколах более нас, – пересказывал его доклад репортер кронштадтской газеты «Котлин». – Природа заковала нас во льды, и чем скорее мы сбросим эти оковы, тем раньше дадим возможность развернуться русской мощи».

Действительно, стоит обратиться к истории, чтобы убедиться – самые важные достижения в этой области судостроения принадлежат нашей стране. В России появились почти все «самые первые»: ледокол «Пайлот», линейный «Ермак», атомоход «Ленин», научно-исследовательское судно «Таймыр», многоцелевой сухогруз ледового класса «Севморпуть» с ядерной силовой установкой.

Да и первое и единственное в мире серийное строительство атомных ледоколов началось у нас с 1977 году. За «Арктикой» последовали улучшавшиеся «Сибирь», «Россия», «Советский Союз» и «Ямал».

В 1864 году на английской верфи для России был построен пароход «Пайлот», способный продвигаться во льдах. Появление в 1899 году первого в мире мощного ледокола «Ермак», способного преодолевать льды до двух метров толщиной, оказало огромное влияние на все мировое ледоколостроение. Он коренным образом отличался от построенных ранее мелких портовых ледоколов размерами, обводами, мощностью, числом винтов, конструкцией корпуса, наличием ряда специальных устройств и систем. Форма корпуса «Ермака» обеспечивала высокие ледокольные свойства, разрушению льда способствовали клиновидные носовые шпангоуты. Несмотря на первые неудачи, последующая работа «Ермака» в тяжелых льдах подтвердила преимущества этого ледокола так называемого русского типа перед другими ледоколами.

В период Первой мировой войны для поддержания навигации в порту Архангельск по заказу России на иностранных верфях были построены несколько ледоколов по типу «Ермака».

В Советском Союзе строительство ледоколов для плавания в арктических морях началось с закладки в 1935 году четырех ледоколов типа «И. Сталин», которые вступили в строй в период с 1936 по 1941 год. Это были трехвинтовые суда с паровыми поршневыми машинами, стальным клепаным корпусом и двухслойным ледовым поясом. В конце 1950-х годов они были модернизированы и переведены с угля на жидкое топливо, что увеличило их автономность.

В 1954—1956 годах в Финляндии по заказу СССР были построены три однотипных дизель-электрических ледокола мощностью 12000 лошадиных сил: «Капитан Белоусов», «Капитан Воронин» и «Капитан Мелехов». Это были четырехвинтовые ледоколы (по два винта в носу и корме), со сварным стальным корпусом, достигающим в области ледового пояса толщины до 30 миллиметров.

Знаменательным событием в мировом судостроении явилась постройка в 1959 году на Балтийском заводе в Ленинграде первого в мире ледокола на ядерном топливе – атомохода «Ленин», который начал работать в Арктике в навигацию 1960 года.

По отзывам моряков, первые плавания «Ленина» в Арктике сразу же показали преимущества нового судна, его высокую ледопроходимость, автономность и замечательные маневренные качества даже в тяжелых условиях. В 1960 году «Ленин» стал флагманом морских транспортных операций на Северном морском пути.

Успешная многолетняя работа ледокола «Ленин» в Арктике, большой практический опыт, накопленный в процессе его эксплуатации, не только подтвердили целесообразность использования атомных энергетических установок на ледокольных и транспортных судах, но и доказали необходимость пополнения флота еще более мощными ледоколами для обеспечения постоянно растущего объема перевозок на Северном морском пути. В 1974 и 1977 годах со стапелей финской компании «Вяртсиля» сошли советские атомные ледоколы второго поколения – «Арктика» и «Сибирь», мощностью по 75000 лошадиных сил каждый.

Знаменитый полярный капитан, Герой Социалистического Труда Ю.С. Кучиев в январе 1972 года приступил к своим обязанностям на строящейся «Арктике». Тогда же ему стало известно, что новый «Ермак» оборудуют системой пневмообмыва корпуса, и Кучиев предложил оснастить ею и «Арктику», но не получил поддержки. Кстати, это устройство изобрел в 1966 году советский инженер Л.И. Уваров, через год такое же запатентовали и финны. Суть его заключается в том, что в район ватерлинии под давлением подается воздух, уменьшающий трение корпуса о лед. И действительно, эта идея оправдывается летом, при положительных температурах наружного воздуха. А зимой? Корпус ледокола находится в крошеве изо льда и снега. Если его обработать еще холодным воздухом, то оно превратится в солидную ледяную «бороду», которая намертво схватывается с обшивкой и так быстро нарастает, что способна даже остановить судно. При попытках усовершенствовать систему пневмообмыва предлагали к ватерлинии подавать отработанный пар, которого на атомоходе предостаточно, однако расход котельной воды оказался бы чрезмерным. Правда, потом появилась идея разогревать борт в том же месте тем же паром изнутри, после чего конденсировать его в холодильнике, – увы, она не была доработана.

Ледокол «Арктика» предназначен для проводки судов в ледовых условиях Арктики с выполнением всех видов ледокольных работ. Этот ледокол имеет высокие борта, четыре палубы и две платформы, бак и пятиярусную надстройку, а в качестве движителей используются три четырехлопастных гребных винта фиксированного шага.

Длина ледокола – 136 метров, ширина – 30 метров, водоизмещение – 23460 тонн, а осадка – 11,4 метра. Атомная паропроизводительная установка размещена в специальном отсеке в средней части ледокола. Ее мощность – 75000 лошадиных сил. Она позволяет развить «Арктике» скорость в 33 километра в час.

Корпус ледокола сделан из высокопрочной стали. В местах, подверженных наибольшему воздействию ледовых нагрузок, корпус усилен ледовым поясом.

На ледоколе имеются дифферентная и креновая системы. Буксирные операции обеспечивает кормовая электрическая буксирная лебедка. Для ведения ледовой разведки на ледоколе базируется вертолет. Контроль и управление техническими средствами энергетической установки ведутся автоматически, без постоянной вахты в машинных отделениях, помещениях гребных электродвигателей, электростанциях и у распределительных щитов. Контроль за работой и управление энергетической установкой осуществляются из центрального поста управления, дополнительное управление гребными электродвигателями выведено в ходовую рубку и кормовой пост.

Ходовая рубка – центр управления судном. На атомоходе она расположена в верхнем этаже надстройки, откуда открывается больший обзор. Ходовая рубка вытянута поперек судна – от борта до борта метров на 25, ширина ее – около 5 метров. На передней и боковых стенках почти сплошь располагаются большие прямоугольные иллюминаторы.

Внутри рубки только самое необходимое. Вблизи бортов и посередине располагаются три одинаковых пульта, на которых находятся ручки управления движением судна, индикаторы работы трех винтов ледокола и положения руля, курсоуказатели и другие датчики, а также кнопки заполнения и осушения балластных цистерн и огромная тифонная кнопка для подачи звукового сигнала. Вблизи пульта управления левого борта располагается штурманский стол, у центрального – рулевой штурвал, у пульта правого борта – гидрологический стол; около штурманского и гидрологического столов установлены тумбы радиолокаторов кругового обзора.

Государственный флаг на «Арктике» подняли 25 апреля 1975 года на рейде Таллина. В начале июня атомоход провел по Северному морскому пути на восток дизель-электрический ледокол «Адмирал Макаров». В октябре 1976 года вырвал из ледового плена ледокол «Ермак» с сухогрузом «Капитан Мышевский», а также ледокол «Ленинград» с транспортом «Челюскин». Пришедший на смену Кучиеву капитан А.А. Ламехов назвал те дни «звездным часом» нового атомохода. Но, наверное, настоящим «звездным часом» для ледокола стало покорение Северного полюса.

Исследовать Северный Ледовитый океан с мощного ледокола предлагал адмирал С.О. Макаров. В 1899 году построенный по его проекту «Ермак» совершил два полярных похода. «Ни один корабль не отваживался входить во льды, в то время как «Ермак» свободно прогуливался по льдам к северу от Семи островов», – писал Степан Осипович.

В 1909 году в России начали работать ледокольные транспорты специальной конструкции «Таймыр» и «Вайгач», оснащенные всем необходимым для научных работ. В 1910—1915 годы они совершили ряд экспедиций по трассе будущего Северного морского пути, во время которых был открыт архипелаг Северная Земля.

В 1930—1940-е годы, когда в Советском Союзе началось освоение Крайнего Севера и Дальнего Востока, тем, кто изучал арктические моря, предоставляли хорошо приспособленные для полярных акваторий ледокольные пароходы, например, «Г. Седов», ледорез «Ф. Литке», а то и ледоколы, если те не были заняты проводкой караванов. В 1934—1937 годах в Ленинграде построили гидрографические суда ледового класса «Мурман», «Океан» и «Охотск». Это были первые в мире научно-исследовательские суда, рассчитанные на длительные плавания на Севере.

После Второй мировой войны основательное изучение Арктики начали и другие страны. Так, в 1953—1955 годах на верфи «Ингалл» для военного флота США построили «Глесьер». В основе его проекта были серийные ледоколы типа «Уинд», но водоизмещение увеличили до 8700 тонн. Силовая установка мощностью 21000 лошадиных сил состояла из десяти дизелей, работавших на генераторы, а те подавали напряжение на два электродвигателя «Вестингауз», вращавших гребные винты. До появления советского атомохода «Ленин» американский ледокол считался самым мощным в мире.

Но никто, кроме «Арктики», не решился покорить Северный полюс. В августе 1977 года ледокол отправился в свой знаменитый поход.

О нем написали в своей книге участники экспедиции В.А. Спичкин и В.А. Шамонтьев: «Многолетний сибирский – ледокол форсирует напролом, скорость его продвижения, конечно, невелика, но зато сам ход необычайно красив. Как известно, ледокол разрушает прочный лед не ударом форштевня, а, продавливая его своей массой: чем прочнее лед, тем большая часть ледокола должна всползти на него, чтобы вызвать разрушение. При этом место разломов льда смещается от носовой части к середине судна. При разрушении очень прочного льда места ломки смещаются настолько далеко от форштевня, что они даже не просматриваются из передних иллюминаторов ходовой рубки. Это создает фантастическое впечатление, будто весь огромный атомоход скользит по льду, как аэросани. Это тихое плавное продвижение, когда перед носом судна не видно ни трещины, ни ломающегося льда, ни фонтана ледяных брызг, делает эффект скольжения столь реальным, что, кажется, за кормой ледокола не должно быть обычного канала. Но взгляд назад, за корму, где по-прежнему темнеет широкая дорога чистой воды, убеждает, что ледокол не скользит, а крушит эти поля многолетнего льда. Возле средней части ледокола дыбятся стотонные глыбы раздавленного льда».

«Арктику» спроектировало центральное конструкторского бюро «Айсберг», организованное в Ленинграде в 1947 году. На его счету также такие этапные суда, как атомный ледокол «Ленин», дизель-электроход «Добрыня Никитич», транспорты «Амгуэма». А в начале 1990-х годов там спроектировали двухвальный ледокол ЛК-110Я с двумя реакторами. Общая мощность силовой установки составила бы не менее 110 МВт, водоизмещение – 55000 тонн, длина – 200 метров, ширина – 36 метров, осадка – 13 метров. Такие «лидеры» могли бы круглогодично трудиться в Северном Ледовитом океане, прокладывая путь караванам в любых условиях.

Волоконно-оптические линии связи

История световой связи началась еще в доисторические времена, когда дозорные сигнальными кострами предупреждали своих о приближении врага. В начале XIX столетия Наполеон вложил немало средств в «зеркальный телеграф» вдоль побережья Атлантики. Таким образом, император хотел получать оперативную информацию о нарушителях «континентальной блокады», чтобы беспощадно карать этих пособников англичан.

Но изобретение радиосвязи, казалось, похоронило саму идею световой связи. Однако постепенно выяснилось, что при всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся все более чувствительными по мере нарастания объемов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии все равно часто оказываются перегруженными. Примерно то же можно сказать о радио и телевидении, в которых информационные сигналы переносятся с помощью электромагнитных волн: все возрастающее количество телеканалов и радиостанций, вещательных и служебных, привело к возникновению помех, к ситуации, получившей название «тесноты в эфире». Это стало одним из толчков к освоению все более коротковолновых диапазонов радиоволн.

Еще один недостаток традиционных видов связи состоит в том, что для передачи информации вообще невыгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободное пространство. Ведь энергия, приходящаяся на какую-то определенную площадь фронта такой волны, убывает по мере увеличения фронта волны. Для сферической волны, то есть такой, которая распространяется равномерно во все стороны от источника, ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника.

Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Изобретение лазеров вообще породило надежду на быстрое и легкое преодоление проблем «эфирной тесноты» Появилась надежда на то, что использование микронных волн видимого света для нужд связи вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн позволит почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации.

Увы, уже первые опыты развеяли радужные иллюзии. Выяснилось, что земная атмосфера очень активно поглощает и рассеивает оптическое излучение. А потому лазеры могут использоваться для нужд связи лишь на очень небольшом расстоянии: в среднем не более километра.

Так обстояли дела до тех пор, пока в 1966 году двое японских ученых Као и Хокэма не предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях.

Согласно законам оптики, если направить световой луч из более плотной среды в менее плотную, то значительная часть его отражается обратно от границы двух сред. При этом, чем меньше угол падения луча, тем большая часть светового потока окажется отраженной. Путем эксперимента можно подобрать такой пологий угол, при котором отражается весь свет и лишь ничтожная его часть попадает из более плотной среды в менее плотную. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя все ее изгибы. Лучи, идущие под малым углом к границе двух сред, полностью отражаются от нее. Таким образом, оболочка прочно удерживает их, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света.

Будь световод идеальным, изготовленным из абсолютно прозрачного и однородного материала, световые волны должны распространяться не ослабевая. На самом деле практически все реальные световоды достаточно сильно поглощают и рассеивают электромагнитные волны из-за своей непрозрачности и неоднородности.

Понадобилось целое десятилетие для того, чтобы создать лабораторные образцы волоконных световодов, способных передать на один километр один процент введенной в них мощности света. Следующей задачей было изготовить из такого волокна световодный кабель, пригодный для практического применения, разработать источники и приемники излучения.

Радикальное изменение ситуации было связано с созданием двухслойных световодов. Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Подобные световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать совершенную границу между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень-сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается.

В 1970 году фирма «Корнинг гласс» впервые разработала стеклянные световоды, пригодные для передачи светового сигнала на большие расстояния. А к середине 1970-х годов были созданы световоды из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света в которых уменьшалась вдвое лишь на расстоянии шести километров.

Кроме световода волоконно-оптическая система связи включает в себя блок оптического передатчика (в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы) и блок оптического приемника (принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы). Если линия имеет большую протяженность, на ней действуют также ретрансляторы – они принимают и усиливают передаваемые сигналы. В устройствах для ввода излучения в волоконные световоды широко применяются линзы, которые имеют очень маленький диаметр и фокусное расстояние порядка сотен и десятков микрон. Источники излучения могут быть двух типов: лазеры и светоизлучающие диоды, которые работают как генераторы несущей волны. Передаваемый сигнал модулируется и накладывается на несущую волну точно так же, как это происходит в радиотехнике.

В марте 2000 года исполнилось 70 лет академику Жоресу Алферову. В этом же году Алферов получил Нобелевскую премию. Именно благодаря российскому ученому, создавшему в 1967 году первые полупроводниковые гетеролазеры, работоспособные при комнатной температуре, стали явью две важнейшие информационные технологии: лазерные диски памяти и волоконно-оптические линии связи. Ведь без передатчика световоду ничего не передашь.

Самый эффективный способ передачи – в цифровом виде. При этом опять-таки совершенно неважно, какая информация передается таким образом: телефонный разговор, печатный текст, музыка, телевизионная передача или изображение картины. Первым шагом для преобразования сигнала в цифровую форму является определение его значений через интервалы времени – этот процесс называется дискретизацией сигнала по времени.

Выяснилось, что если временной интервал по крайней мере в два раза меньше наивысшей частоты, содержащейся в спектре передаваемого сигнала, то этот сигнал может быть в дальнейшем восстановлен из дискретной формы без всяких искажений. То есть вместо непрерывного сигнала без ущерба для передаваемой информации можно подавать набор очень коротких импульсов, отличающихся друг от друга только амплитудой.

Поскольку все они имеют одинаковый вид и сдвинуты друг относительно друга на один и тот же временный интервал, то можно передавать не весь сигнал, а лишь значение его амплитуды. То есть значение каждого импульса можно интерпретировать как число в двоичном коде. Значение этого числа и передается по линии связи. Поскольку для передачи каждого двоичного числа необходимы всего две цифры – 0 и 1, то задача очень упрощается: 0 соответствует отсутствию сигнала, а 1 – его наличию. Восстановление переданного сигнала происходит в обратном порядке. Подача сигнала в цифровом виде очень удобна, так как фактически исключает всякие искажения и помехи.

Достоинства и преимущества ВОЛС очевидны. Прежде всего, волоконно-оптические кабели очень устойчивы к помехам и имеют малый вес. Но самое важное их достоинство состоит в том, что они имеют огромную пропускную способность – в единицу времени через них можно пропускать такие громадные объемы информации, какие невозможно передать ни одним из известных сейчас способов связи.

В 1988 году была введена в действие первая трансатлантическая ВОЛС ТАТ-8. К 1998 году ее пропускную способность довели до 600000 одновременных телефонных разговоров против 36 у первой проводной линии, проложенной там же в 1956 году.

В 2000 году введена в эксплуатацию волоконно-оптическая линия связи «Москва – Санкт-Петербург – Стокгольм», давшая России еще один доступ в Интернет. «Огромную пропускную способность нового канала, – пишет в журнале «Эхо планеты» Юрий Носов, – (2,4 Гбит/с, то есть по миллиону простых "электронных писем" ежеминутно) провайдерам еще предстоит "переварить", а в кулуарах симпозиума лишь снисходительное пожимание плечами: "Всего-то?" Ученых понять можно: только что им был представлен новый созданный в Физтехе лазер, с которым, по утверждению докладчика, вполне достижима «терабитная» скорость передачи информации (напомним, 1 Тбит = 1000 Гбит, так что речь ведется об увеличении пропускной способности в сотни раз!). Это достигается не только повышением быстродействия лазера, но и использованием технологии так называемого волнового (или спектрального) уплотнения. Технология основана на том, что по одному волокну передаются одновременно несколько десятков различных световых потоков.

Заметим, однако, что специалистов все это не очень-то волнует, и вот почему. Во-первых, о возможности достижения «терабитной» скорости было заявлено еще лет 10 тому назад, а во-вторых, сами дальние, или магистральные, линии уже не в фокусе всеобщего интереса. Их напрокладывали столько, что в США, например, от любого дома до ближайшей магистрали не более десятка-другого километров. Поэтому внимание переключается на то, с чего все и начиналось, – на локальные сети, на короткие и очень короткие ВОЛС. Только теперь это будет доведено до абсолюта – оптоволокно в каждый дом! Полная «цифровизация» информации станет явью, и главная проблема, которую теперь предстоит решить ученым и технологам – это создание экономичного, сверхнадежного и очень дешевого, «народного» лазера».

Число пользователей ВОЛС в системе Интернет превысило миллиард человек. И можно смело утверждать, что без волоконно-оптических линий связи сегодня не было бы и Интернета. Большая часть того, о чем здесь говорилось, будет реализовано в ближайшие годы, по крайней мере, в развитых странах. Но исследования в области ВОЛС продолжаются.

Юрий Носов пишет: «Связь по волокну называют оптической, а не световой (хотя волокна нередко называют световодами или светопроводами), и вот почему. Еще в самом начале исследований было установлено, что, чем короче длина волны света, тем сильнее он поглощается в волокне. Поэтому, начав с «красного» света и не получив удовлетворительных результатов, перешли «за» красный, в область невидимого инфракрасного излучения, но, как и свет, относящегося к оптическому, и вскоре остановились на излучении с длиной волны около 1,5 мкм (микронов). Под такой диапазон разработали специальные гетеролазеры, именно на них и основываются современные ВОЛС. Если инфракрасный луч проходит в волокне с небольшим затуханием 10 км, то красный свет (длина волны 0,65 мкм) пройдет лишь 0,5 км, а синий (0,43 мкм) и вообще меньше 50 м.

А что если пойти еще дальше в инфракрасную область? Оказалось, там потери излучения опять возрастают – таковы особенности кварца. Но ведь на кварце свет клином не сошелся. И действительно, синтезировали такие составы, которые почти без поглощения могут пропустить излучение на 1000 км! Но для этого надо перейти к длинам волн около 3 мкм, а это фактически уже область теплового излучения. И если бы удалось создать волокна и лазеры на этот диапазон длин волн, то можно было бы не гнать горячую воду от ТЭЦ, а передавать «сухое» тепло по волокнам прямо в квартиры, при этом практически без потерь и без осточертевших зимних аварий из-за разрыва труб. Это вам не ВОЛС с виртуальным миром их потоков информации, это уже "совсем другое кино". Посмотрим ли мы его?»

Навигационная система GPS

С помощью приемника GPS определяется не только местоположение движущегося объекта, но и скорость его движения, пройденное расстояние, рассчитываются расстояние, и направление до намеченного пункта, время прибытия и отклонения от заданного курса.

Сегодня уже очевидно: в первом десятилетии нового тысячелетия спутниковые системы навигации станут основными средствами местоопределения для наземных, воздушных и морских объектов. Ведь при современной технологии приемники GPS имеют малые размеры, надежны и дешевы, так что они становятся все более доступными для рядового покупателя.

Сначала появилась Система космической радионавигации НАВСТАР (NAVSTAR). Навигационная система на основе временных и дальномерных измерений в США создавалась в первую очередь для координатно-временного обеспечения войск и военной техники.

Первый американский навигационный спутник был запущен в феврале 1978 года, а активное внедрение спутниковых навигационных методов в гражданскую жизнь началось позднее. До 1983 года навигационная система использовалась исключительно военными. Однако, после того как над Татарским проливом был сбит «Боинг-747», систему открыли для гражданского использования. Тогда, собственно, и появилась аббревиатура GPS (Global Positioning System) – Система глобального позиционирования. Термин «позиционирование» – более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает в себя и определение вектора скорости движущегося объекта.

Правительство США затратило на создание этой системы более десяти миллиардов долларов и продолжает тратить средства на ее дальнейшее развитие и поддержку.

Спутниковая навигационная система вместо геодезических знаков и радиомаяков использует спутники, излучающие специальные сигналы. Текущее местоположение спутников на орбите хорошо известно. Спутники постоянно передают информацию о своем местоположении. Расстояние до них определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до радиоприемника, и умножением его на скорость распространения электромагнитной волны. В результате синхронизации часов спутников, в которых используются атомные эталонные генераторы частоты, и приемников обеспечивается точное измерение расстояний до спутников.

«Для вычисления координат места на Земле, – пишет в журнале «Радио» В. Курышев, – необходимо знать расстояния до спутников и местонахождение каждого из них в космическом пространстве. Спутники GPS находятся на высоких орбитах (20000 км), и их координаты можно прогнозировать с большой точностью. Станции слежения министерства обороны США регулярно определяют даже самые незначительные изменения в орбитах, и эти данные передают на спутники. Измеренные расстояния до спутников называются псевдодальностями, так как в их определении присутствует некоторая неопределенность. Дело в том, что ионосфера и тропосфера Земли вызывают задержки спутниковых сигналов, внося погрешность в расчет расстояния. Есть и другие источники ошибок – в частности, вычислительные погрешности бортовых компьютеров, электрические шумы приемников, многолучевость распространения радиоволн. Неудачное взаимное расположение спутников на небосводе также может привести к соответствующему увеличению суммарной погрешности местоопределения.

Для определения расстояний спутники и приемники генерируют сложные двоичные кодовые последовательности, называемые псевдослучайным кодом. Определение времени распространения сигнала осуществляется путем сравнения запаздывания псевдослучайного кода спутника по отношению к такому же коду приемника. Каждый спутник имеет определенные, свои собственные два псевдослучайных кода. Чтобы различить дальномерные коды и информационные сообщения разных спутников, в приемнике производится вызов соответствующих кодов. Псевдослучайные дальномерные коды и информационные сообщения спутников пускают передачу сообщений со спутников одновременно, на одной частоте, без взаимных помех. Мощность излучения спутников и взаимовлияние сигналов от спутников незначительно.