Спутниковая система навигации

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
«Navstar-GPS», спутник второго поколения

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы[править | править вики-текст]

Основные элементы спутниковой системы навигации:

  • Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;
  • Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
  • Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемое для определения координат;
  • Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.
  • Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы[править | править вики-текст]

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

  • Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).
  • Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
  • Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;
  • Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
  • Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

Применение систем навигации[править | править вики-текст]

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

  • Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
  • Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии
  • Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
  • Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
  • Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-ГЛОНАСС.
  • Тектоника, Тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
  • Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
  • Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам


Современное состояние[править | править вики-текст]

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

GPS[править | править вики-текст]

Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.

ГЛОНАСС[править | править вики-текст]

Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

Бэйдоу[править | править вики-текст]

Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

На 28 декабря 2012 года выведено на орбиту Земли шестнадцать навигационных спутников, из них по предназначению используется 11[1].

Согласно планам, к 2012 году она сможет покрывать Азиатско-Тихоокеанский регион, а к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная. Реализация данной программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007-ом.

Galileo[править | править вики-текст]

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

IRNSS[править | править вики-текст]

Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS - 7.

QZSS[править | править вики-текст]

Первоначально японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. В марте 2006 японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнётся второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объём услуг.

Основные характеристики систем навигационных спутников[править | править вики-текст]

параметр, способ СРНС ГЛОНАСС GPS NAVSTAR TEN GALILEO BDS COMPASS
Число НС (резерв) 24 (3) 24 (3) 27 (3) 30 (5)
Число орбитальных плоскостей 3 6 3 нет данных
Число НС в орбитальной плоскости 8 4 9 нет данных
Тип орбит Круговая (e=0±0.01) Круговая Круговая Круговая
Высота орбиты, КМ 19100 20183 23224 21500
Наклонение орбиты, градусы 64.8±0.3 ~55 (63) 56 ~55
Номинальный период обращения по среднему солнечному времени 11 ч 15 мин 44 ± 5 с ~11 ч 58 мин 14 ч 4 мин. и 42 с. нет данных
Способ разделения сигналов НС Кодово-частотный (кодовый на испытаниях) Кодовый Кодово-частотный нет данных
Несущие частоты радиосигналов, МГц L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5 L1=1575.42 L2=1227.60 L5=1176.45 E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75 E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75
Период повторения дальномерного кода (или его сегмента) 1 мс 1 мс (С/А-код) нет данных нет данных
Тип дальномерного кода М-последовательность (СТ-код 511 зн.) Код Голда (С/А-код 1023 зн.) М-последовательность нет данных
Тактовая частота дальномерного кода, МГц 0.511 1.023 (С/А-код) 10.23 (P,Y-код) Е1=1.023 E5=10.23 E6=5.115 нет данных
Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код) 50 зн/с (50Гц) 50 зн/с (50Гц) 25, 50, 125, 500, 100 Гц нет данных
Длительность суперкадра, мин 2.5 12.5 5 нет данных
Число кадров в суперкадре 5 25 нет данных нет данных
Число строк в кадре 15 5 нет данных нет данных
Система отсчета времени UTC (SU) UTC (USNO) UTC (GST) UTC (-)
Система отсчета координат ПЗ-90/ПЗ90.2 WGS-84 ETRF-00 нет данных
Тип эфемирид Геоцентрические координаты и их производные Модифицированные кеплеровы элементы Модифицированные кеплеровы элементы нет данных
Сектор излучения от направления на центр земли ±19 в 0 L1=±21 в 0 L2=±23.5 в 0 нет данных нет данных
Сектор Земли ±14.1 в 0 ±13.5 в 0 нет данных нет данных

Технические детали работы систем[править | править вики-текст]

Рассмотрим некоторые особенности основных действующих систем спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС):

  • Обе системы имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для GPS и России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе GPS это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).
  • Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах — 24. Группировка GPS полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В 2011 году система ГЛОНАСС полностью восстановлена, количество спутников в группировке достигло 24. В системе появился орбитальный резерв.
  • Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.
  • В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для GPS L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, то есть каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.
  • Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) — это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.
  • Для подавления сигналов спутниковых навигационных систем используются передатчики активных помех. Впервые широкой общественности передатчики разработки российской компании «Авиаконверсия» были представлены в 1997 году на авиасалоне МАКС-1997[2].

Дифференциальное измерение[править | править вики-текст]

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

В настоящее время (2009 год) существуют бесплатные американская система WAAS, европейская система EGNOS, японская система MSAS основанные на нескольких передающих коррекции геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Запланировано создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Китайский ГЛОНАСС вышел на рынок Азии. Навигационная система "Бэйдоу" приведена в действие // 2012-12-28 / Виктор Мясников, Владимир Скосырев, Независимая газета: ". На орбите, по имеющимся данным, находится 16 спутников, но работает по предназначению 11."
  2. Антидот против точных бомб. Рецепт от российской фирмы «Авиаконверсия». Журнал Defense Express #5, 2007.

Ссылки[править | править вики-текст]