dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

GPS плохо работает, местами – часы внезапно убежали на две секунды (или около того). В 2012 году я писал на dxdt.ru про гипотетический автоматический прибор-навигатор, который не зависит от спутниковой системы. Вообще, с точки зрения практической навигации, понятие “определения координат”, как таковое, оказывается слишком размытым, потому что основа тут – это привязка к некотороому базису, задающему систему отсчёта, или, если хотите, координатную сетку. И такой базис может быть весьма условным.

В тех же GNSS (спутниковых системах, GPS – один из вариантов), базис задаётся моделью положения спутников, а для выполнения привязки нужно ещё синхронное время. То есть, это не к карте привязка, а к конфигурации спутников. Соответственно, как конфигурация считывается из электромагнитных сигналов, так положение и нарисуется, поскольку берётся оно относительно этой конфигурации, а не того “реального” окружающего пространства, в котором применяется. Поэтому эффективно работают помехи. Поэтому и трактор с GPS может заехать не туда. А реальная привязка к карте, выпоняемая по ориентирам на местности, это работа с совсем другим базисом.

Точное время – фундаментальный элемент практической навигации. Например, хронометры, как технический феномен, развивались для решения задач дальней морской навигации: поскольку на море с ориентирами не очень хорошо, то требовалось возить с собой точное опорное время, чтобы, взяв разность с локальным временем на корабле, определить долготу. Одно дело море, совсем другое дело – сухпутное. Тут может показаться, что если есть хорошо задокументированные ориентиры, то определить точное положение можно и вовсе не имея эталона времени.

Пираты иногда сходили на берег. Карта сокровищ: сундук зарыт в десяти шагах к северу от развесистого дуба. То есть, главное – найти тот дуб, а дальше уже навигация пойдёт без проблем: отсчитываем десять шагов, хватаем лопаты и – сундук наш. Но это всё только кажется. Для подсчёта расстояния в шагах тоже нужны часы. А как иначе определить длину шага? Конечно, в случае с картой сокровищ необходимость точного времени находится на втором плане. Но если вы измеряете расстояние лазерным дальномером, то часы уже используются прямо, пусть и на очень коротком интервале времени, и не для хранения отсчёта по Гринвичу. Однако дерево и десятки шагов, со скрытым измерением времени, неплохо иллюстрируют тот факт, что главное – правильно выбрать и понимать базис, который подходит для решаемой навигационной задачи. Поэтому-то хорошим источником опорных точек является рельеф местности.

Вообще, логика непосредственного использования ориентиров, типа деревьев, – это идея навигации по рельефу. Естественно, рельеф создают не деревья, но сам принцип точно такой же: взяв несколько пеленгов и дополнительно измерив расстояния до объектов – можно выяснить местоположение в привязке к карте, на которой были указаны используемые ориентиры. Если данные о рельефе достаточно подробные и имеются подходящие измерительные инструменты, то даже можно реализовать автоматический способ определения текущего местоположения: выбираются подходящие точки “в базе данных рельефа”, строятся пеленги и определяются расстояния. Если рассуждать “на бумаге”, то окажется, что при наличии точного описания рельефа не нужны ни хронометры с внешним временем, ни инерциальные навигационные системы: всё можно посчитать по месту, лишь бы подходила высота и был обзор. Но это в теории. На практике – разумно ожидать проблем из-за погрешностей.

Рельеф – это схема ориентиров, которые не просто закреплены в некоторой координатной сетке, но эту сетку задают. Естественно, тут подходит не только рельеф “в геологическом”, так сказать, понимании. Если удастся ввести опорную систему на других принципах, будь то свойства магнитного поля земли, наблюдаемые новомодным “квантовым сенсором”, направления ветров или какие-нибудь инфразвуковые волны, то тоже хорошо, но классический рельеф выглядит надёжнее.

Рельеф или нет, однако практическая задача состоит в прибытии в заданную точку, но вот только не на карте, а на местности. А кто сказал, что все точки схемы рельефа расставлены без ошибок? И даже если большого количества ошибок в исходной схеме нет, то всё равно осталась погрешность, которая была внесена аппаратурой при построении карты. Это всё равно некоторая модель, и тут есть довольно занятный момент. Построение карты рельефа это одно, а проверка результата – совсем другое: для проверки нужно каким-то образом подобрать независимый, но совместимый, базис. Другими словами: пусть карта рельефа получена, но чтобы понять, что она пригодна для решения практических задач, нужно определить какие-то тестовые пути с известными координатами. (Собственно, GPS не для автомобильных навигаторов придумали: сеть спутников – это один из способов проверить другую навигационную информацию, хотя бы и при помощи специально оборудованного автомобиля.) Тем не менее, данные о рельефе – незаменимы. Особенно, под водой.

Для навигации по подготовленной карте, – и вовсе не обязательно под водой, – для определения тех самых пеленгов, тоже используются приборы, проводящие измерения с погрешностями. Одно складывается с другим: погрешности, оставшиеся на картах, сдвигают погрешности актуальных измерений. Казалось бы, при прохождении некоторого пути – в рельефе не должна бы накапливаться погрешность, и если аппарат прибыл в точку между тремя холмами, то холмы вряд ли переползли достаточно далеко от изначального их положения. Несомненно, хитрая помеха может испортить точность и в этом случае. Но главное – нет гарантии, что эти три холма зафиксированы на опорной карте именно там, где им полагается быть согласно прочим ожиданиям. А прочие ожидания – это показания инерциальной навигационной системы и системы спутниковой, если сигнал такой доступен. И “уехать” рельеф мог в процессе подготовки опорной карты, так как погрешности тут вполне себе накапливаются.

При использовании инерциальной навигационной системы, с погрешностями и базисами вообще складывается занятная ситуация. С одной стороны, есть внутренние погрешности датчиков системы, а результаты тут “плывут” в зависимости от испытываемых перегрузок. С другой стороны – есть погрешность измерения времени. Точное локальное время для инерциальной навигации тоже необходимо, а ошибка по времени – приводит к ошибке измерения пройденного пути, что, в свою очередь, ухудшает реальную точность работы датчиков, потому что – их же надо корректировать. А при коррекции по каким-то опорным точкам рельефа (или по другим объектам на карте) – вмешивается погрешность датчиков, которые отвечают за внешние измерения, будь то радиовысотомер или даже видеокамера. Получается, что навигация осуществляется в некотором собственном базисе, который, – внезапно, – оказался достаточно далеко от базиса, использовавшегося при планировании маршрута. Чтобы корректировать координаты – нужны “общие точки” для всех реально используемых базисов. В схемах повышения точности GNSS для этого служит коррекция по наземным радиомаякам, с заранее известными координатами и параметрами сигналов. К сожалению, этот способ ещё более неавтономный, чем чистая GNSS. А для автономной системы подойдёт разве что старинный метод коррекции по звёздам, но это, всё же, из области фантастики, хоть и осуществимо в теории.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2025/04/02/15299/