Небесные путеводители: обзор систем спутниковой навигации

Спутниковая навигация давно стала незаменимым атрибутом жизни многих людей. Применяется она и для военных целей. Но о том, как она работает и какие есть системы помимо GPS, мало кто задумывается. Мы же вкратце расскажем об этом.

Принцип работы

Чтобы узнать свои точные координаты, нужно либо специальное устройство-навигатор, либо гаджет с соответствующей функцией. Для определения координат используется сигнал со спутников, находящихся на орбите. Каждый из них передает определенный набор данных:

1. Альманах, содержащий информацию о местоположении на орбите всех рабочих спутников. Получив сигнал всего от одного спутника, навигатор также узнает о расположении всех других спутников системы.
2. Эфемериды — оперативные данные о текущих координатах спутника — источника сигнала. Они несут более точные данные о местоположении спутника, чем альманах, но и устаревают гораздо быстрее — в течение получаса, тогда как альманах обновляется раз в несколько дней.
3. Псевдослучайный код, используемый для идентификации спутника.
4. Сигналы точного времени, для определения которого используются атомные часы, точно синхронизированные с системным временем.

Точные координаты навигатора вычисляются путем измерения задержки радиосигнала от нескольких спутников. Приемник вычисляет промежуток между отправкой сигнала со спутника и его получением, сравнивая системное время со временем отправки сигнала. Таким образом, зная скорость распространения радиоволн, высчитывается расстояние до спутника.

Сопоставляя все необходимые данные с разных спутников, навигатор определяет свои точные координаты. Чем больше спутников видит устройство — тем точнее измерения. Если доступен сигнал только с одного спутника, навигатор определит окружность с известным радиусом, внутри которого он находится. Но радиус этот может быть и несколько километров. Если доступны два спутника — одно из возможных мест будет находиться на пересечении окружностей. Уже при трех видимых спутниках можно определить местоположение с точностью до нескольких десятков метров. А для самого точного позиционирования (менее 5 м) нужен сигнал четырех и более спутников.

Другие параметры, например пройденное расстояние, скорость, направление движения, определяются путем измерения времени, затраченного на перемещение между двумя или более точками с известными координатами.

Недостатки в спутниковой навигации тоже имеются. Определяются они спецификой распространения радиоволн. Например, сигнал со спутника значительно ухудшается в помещениях, а внутри железобетонных конструкций, в подвалах, тоннелях и т. д. его вообще нельзя поймать. Причем касается это не только распространенных устройств, но и профессиональных геодезических приемников. Также сигнал со спутника может ухудшаться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Для него легко создавать помехи, чем, например, пользуются автоугонщики и спецслужбы. В приполярных областях точность позиционирования ухудшается из-за того, что спутники находятся низко над горизонтом.

Для работы навигационной системы необходимы не только спутники на орбите, но и наземный сегмент управления и контроля. Среди них блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки орбит и (опционально) система радиомаяков для повышения точности получения координат.

У навигационных приемников также есть важные параметры, непосредственно влияющие на их работу. Один из них — скорость получения и обработки данных от спутников. Если приемник долго не работал, или его в выключенном состоянии перевезли на большое расстояние, то включаться он будет по методу «холодного старта», когда все необходимые для работы данные (эфемериды, альманах и т. д.) получаются непосредственно со спутника. Это может занимать 10–15 минут. Навигаторы с функцией A-GPS (Assisted GPS ) даже в режиме холодного старта начинают работать быстрее, так как получают значительную часть необходимых данных из сетей сотовой связи. В режиме же «теплого старта» (когда актуальные данные уже есть в памяти устройства) для определения точных координат приемнику нужно меньше минуты.

Что есть сейчас

Началом эры спутниковой навигации можно считать 1964 год. Именно тогда заработала американская военная навигационная система Transit (также известная как NAVSAT). Она использовалась для обеспечения навигации атомных подводных лодок. В ее состав входили шесть низкоорбитальных спутников, а для определения координат использовался эффект Допплера — спутники вращались по известной траектории с известной частотой. При этом до приемника сигнал доходил со смещением частоты. Именно высчитывая это смещение, определялось расстояние до спутников, а зная их положение на небе в каждый конкретный момент времени, — и собственные координаты. Точность позиционирования в этой системе составляла около 200 м. Но при этом она покрывала не всю поверхность земли и была доступна ограниченное время на протяжении суток. Уже в 1967 году эта система спутниковой навигации стала использоваться в коммерческих целях, в основном для судоходства.

В 1976 году СССР запустил аналогичную систему «Циклон» с теми же преимуществами и недостатками. Для гражданского использования в 1979 году заработала система «Цикада», которая так же использовалась в основном в мореходстве. Эти системы уже канули в лету. Сейчас уже работают нижеследующие.

Уже при трех видимых спутниках можно определить местоположение объекта с точностью до нескольких десятков метров

GPS

Изначально эта навигационная система также создавалась как военная. Она называлась DNSS, позже — Navstar-GPS, и наконец, просто GPS (Global Positioning System). Первый спутник вышел на орбиту в 1978 году, но полноценно система заработала лишь в начале 80-х. В 1983 году СССР сбил залетевший в его воздушное пространство корейский Боинг — экипаж лайнера оказался дезориентирован в пространстве и не знал собственные координаты. Во избежание подобных инцидентов в будущем президент Рейган разрешил использование системы для гражданских целей. Однако гражданская версия системы имела ограничения. Например, до 2000 года ее точность для гражданских приемников составляла около 100 м. А если скорость передвижения приемника превышает 1900 км/ч на высоте более 18 км, он перестанет работать. Такое ограничение нужно, чтобы систему невозможно было использовать в межконтинентальных баллистических ракетах.

Сейчас в составе системы работает 31 спутник. Они летают на высоте 20 180 км с периодичностью в два облета Земли за сутки. Для покрытия всей поверхности планеты используются 24 спутника (такое количество было достигнуто в 1993 году). Еще семь — резервные, готовые в любой момент подхватить работу, если на одном из основных произошли неполадки или он находится на плановом техническом обслуживании.

Сейчас GPS — самая популярная навигационная система в мире. Ею пользуются по всей земле благодаря не только охвату, но и тому, что GPS-приемники есть во многих современных портативных устройствах — телефонах, планшетах и т. д.

ГЛОНАСС

Российская «Глобальная навигационная спутниковая система», запущенная в 1982 году, одновременно в военном и гражданском варианте. 24-й спутник, обеспечивший покрытие всей поверхности Земли, вышел на орбиту в 1995 году. Однако из-за недостатка финансирования ГЛОНАСС вскоре пришла в упадок — в 2001 году на орбите остались всего шесть работающих спутников. Восстановить работоспособность системы удалось только к 2010 году. Сейчас на орбите находятся 27 спутников (24 рабочих и три резервных).

Спутники вращаются на высоте 19 140 км с наклонением 64,8°, облетая Землю один раз в 11 ч 15 мин. Такая орбита больше подходит для высоких широт, чем GPS. Из-за этого ГЛОНАСС там выдает более точные координаты, а многие пользователи северных стран используют систему в комбинации с GPS.

Пользовательские устройства имеют доступ к GPS, ГЛОНАСС и Бэйдоу из коробки

DORIS

Французская система для отслеживания орбит спутников и позиционирования. Используется в основном в научных целях и геодезии. В отличие от других систем, она использует наземные маяки, которые посылают сигнал на спутники. После определения точного положения спутника система может установить точные координаты и высоту маяка на поверхности Земли.

IRNSS

Региональная индийская система, которая покрывает всю территорию этой страны, а также 1500-километровую зону вокруг нее. В состав системы входят семь спутников, расположенных на геосинхронной орбите на высоте 36 000 км, и две наземные станции. Точность системы — 10 м для гражданских приемников и 10 см для военных. Необходимость собственной навигационной системы стала очевидной индийскому правительству после Каргильского конфликта между кашмирскими моджахедами (при поддержке Пакистана) и Индией, когда индийские военные не смогли договориться об использовании GPS с американцами.

Какие будут

Сейчас строятся несколько навигационных систем, которые в ближайшие несколько лет войдут в эксплуатацию. Это как глобальные, так и региональные системы. Последние предназначены для использования в конкретных странах. Из-за такой специфики для них требуется меньше спутников, а значит, построить такую систему легче.

Запуск европейской навигационной системы Galileo запланирован на 2020 год

Galileo

Европейская навигационная система, полноценный запуск которой намечен на 2020 год. В данное время на орбите находятся 12 спутников (их сигнал умеют принимать многие устройства), а всего должно быть 30. Многие производители уже добавляют возможность приема сигнала Galileo в свои устройства. Сейчас эта система используется для уточнения координат, полученных от GPS. В отличие от GPS и ГЛОНАСС, эта система не подчинена военным ведомствам, однако для правительств европейских государств будет доступно более точное позиционирование, чем для обычных пользователей.

Спутники «Галилео» летают на орбитах высотой 23 222 км и проходят один виток за 14 ч 4 мин. 42 с. За счет высокой орбиты на широте полярного круга будет обеспечиваться точность позиционирования до одного метра.

«Бэйдоу»

Китайская навигационная система, которая сейчас работает как региональная. Ее запустили в декабре 2012 года, тогда в ее составе работали 16 спутников. К 2020 году китайские власти планируют довести их количество на орбите до 35 и сделать систему глобальной. Пока же в околоземном пространстве находится 21 спутник этой системы, которые работают на высоте 21 500 км.