Как спутники формируют нашу повседневную жизнь: от GPS-навигации до прогнозов погоды

Большинство людей проверяют приложение карт или прогноз погоды, не задумываясь о том, что это делает возможным. За обоими стоит слой спутников на разных орбитах, каждый из которых построен для определённой задачи, согласно официальному сайту США, посвящённому GPS, GPS.gov, и Национальному управлению океанических и атмосферных исследований США (NOAA).

Как спутники GPS определяют ваше местоположение

GPS.gov описывает Глобальную систему позиционирования как принадлежащую США инженерную систему, построенную вокруг трёх компонентов: космического сегмента, управляющего сегмента и пользовательского сегмента. Космический сегмент состоит из «номинального созвездия из 24 работающих спутников», которые непрерывно передают своё положение и точное время. Наземные станции управления мониторят и регулируют эти спутники, тогда как приёмники в телефонах, автомобилях и самолётах принимают сигналы для расчёта местоположения пользователя, согласно GPS.gov.

NASA's Space Place, образовательный сайт, управляемый Лабораторией реактивного движения, объясняет лежащую в основе математику более простыми словами: современное созвездие включает более 30 активных спутников, и приёмник должен получать сигналы как минимум от четырёх из них для расчёта точной трёхмерной позиции методом, называемым триангуляцией. Обычные GPS-приёмники, как говорит NASA, обычно имеют точность в пределах нескольких ярдов, а специализированные приёмники могут сузить это до нескольких дюймов.

GPS.gov отмечает, что Космические силы США разрабатывают, поддерживают и эксплуатируют спутники GPS и сеть наземного управления, при этом сам сигнал предоставляется бесплатно гражданским пользователям по всему миру для целей, таких как указания маршрута вождения и навигация в пешеходных прогулках.

Помимо повседневной навигации, NASA's Space Place перечисляет применение при реагировании на бедствия: датчики на основе GPS способствуют системам раннего предупреждения цунами, помогают отслеживать деформацию земной поверхности вулканов и ускоряют оценку ущерба после землетрясений.

Два типа орбит за вашим прогнозом погоды

Прогнозирование погоды опирается на другой набор спутников, и Национальная служба данных об окружающей среде и информации NOAA (NESDIS) говорит, что агентство управляет двумя основными типами спутников, которые работают вместе. Геостационарные спутники, являющиеся частью программы Геостационарного операционного спутника окружающей среды (GOES), обращаются примерно на высоте 22 236 миль над экватором, совпадая с вращением Земли, чтобы оставаться зафиксированными над одним и тем же регионом. NESDIS говорит, что спутники GOES обновляют свои снимки так часто, как каждые 30 секунд, что делает их центральными для краткосрочного прогнозирования и отслеживания штормов в реальном времени; GOES-16 охватывает Северную Америку и Атлантику, а GOES-17 охватывает Тихий океан.

Второй тип, полярно-орбитальные спутники, принадлежащие Объединённой системе полярных спутников (JPSS), летают намного ближе к Земле — примерно на высоте 512 миль — и обращаются от полюса к полюсу примерно 14 раз в день, согласно NESDIS. Каждый проход охватывает более узкую полоску, но благодаря тому, что спутник находится ближе, снимки имеют более высокое разрешение, и весь флот изображает всю планету как минимум дважды в день. NESDIS говорит, что эти глобальные данные питают числовые модели погоды, используемые для составления прогнозов на несколько дней вперёд, тогда как геостационарные спутники обеспечивают немедленную, локализованную картину.

Земные наблюдательные спутники Европы

Европейское космическое агентство (ESA) управляет спутниками Sentinel программы Copernicus, которые ESA описывает как пять семейств спутников с различными инструментами, которые вместе поддерживают мониторинг, выходящий за рамки одной только погоды. ESA говорит, что Sentinel-1, например, отслеживает разливы нефти в океане, морской лёд, характер земельного покрова и деформацию поверхности, и что данные Copernicus в целом поддерживают мониторинг бедствий, гуманитарную реакцию и безопасность судоходства, такую как помощь кораблям в безопасном проходе через морской лёд.

Почему два разных спутниковых орбиты имеют значение

Примеры с GPS и погодой указывают на общий выбор дизайна в спутниковых системах: высота — это компромисс между площадью охвата и деталями. Спутники дальше, такие как спутники GPS или геостационарные метеорологические спутники, могут непрерывно наблюдать большую фиксированную область. Спутники ближе к Земле, такие как полярно-орбитальные метеорологические спутники, жертвуют постоянным охватом одного пятна в обмен на более чёткие, более детальные изображения при проходе.

Что это означает для обычных пользователей

Ни одна из этих систем не видна людям, которые полагаются на них сотни раз в день. Приложение навигации бесшумно использует сигналы как минимум от четырёх спутников GPS, чтобы поместить синюю точку на карту, согласно объяснению триангуляции NASA. Прогноз приложения погоды использует снимки, собранные из спутников на высоте 22 236 миль и других всего лишь в 512 милях, согласно NOAA. Результат заключается в том, что рутинные ежедневные задачи — поездка на работу, проверка погоды перед выходом из дома или отслеживание шторма — зависят от оборудования, обращающегося далеко над атмосферой, о котором большинство пользователей никогда не задумываются.