Спутниковая система навигации

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

Основными элементами спутниковой системы являются: орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; примное клиентское оборудование, используемое для определения координат; информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

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 приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передает 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 приемника основан на определенности скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определенный промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.

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

– отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приемников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трех (2-мерная навигация при известной высоте) или четырех (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 определенных пределах;
– отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
– невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего прием их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

В настоящее время работают следующие системы спутниковой навигации: NAVSTAR (GPS), принадлежащая министерству обороны США, что считается другими государствами ее главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система. А также российская ГЛОНАСС, принадлежащая министерству обороны РФ. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования. Параллельно с действующими навигационными системами разрабатываются еще 2 системы: Galileo  — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки и Бэйдоу, развертываемая в настоящее время Китаем, предназначенная для использования только в этой стране.

Что NAVSTAR (GPS), что ГЛОНАСС 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 Военного Ведомства США. В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приемникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).

Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС находятся в трех плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Hоминальное количество спутников в обеих системах — 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развернута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идёт ее активное восстановление.

Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищенность и надежность при невысокой мощности излучения передатчиков.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. 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. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 — только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приемного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приемного 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 приемник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приемника, либо если он долго не использовался.

Отдельные модели спутниковых приемников позволяют производить дифференциальное измерение расстояний между двумя точками с большой точностью (2-3 см). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет точность порядка 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 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 приемника до нескольких сантиметров. Дифференциальная поправка основана на геостационарных объектах (спутниках, наземных базовых станциях), обычно является платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу»). В настоящее время существует бесплатная европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), основанная на двух геостационарных спутниках, дающая высокую точность (до 30 см), но работающая с перебоями и ненадёжно. В Северной Америке ее аналогом является система WAAS.

Алфавитный указатель

https://vlg.indigram.info - Отвлекись от серых будней и насладись волшебными мгновениями с нашими спутницами из Волгограда!.