Спутниковая система навигации: GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, BEIDOU

Спутниковая система навигации

Благодаря развитию цифровых технологий, старые бумажные карты были заменены электронными, которые для навигации используют спутниковые системы. Эта статья расскажет о том, когда была создана спутниковая навигации, её настоящее и ближайшее будущее.

Первые навигационные системы

Вторая мировая война ускорила развитие технологий, и привела к тому, что для морского флота США и Англии была создана навигационная система LORAN, основанная на работе радиомаяков. После окончания войны данный инструмент получили в распоряжение гражданские суда западных стран. Через некоторое время в СССР была разработана и введена в эксплуатацию навигационная система Чайка, которая работает, и эксплуатируется до настоящего времени. Указанные системы работали только в условиях морей и океанов.

У сухопутной навигации есть негативные факторы, такие как неровности рельефа и влияние ионосферы на время передачи сигнала. В условиях большого расстояние между навигационным маяком и объектом погрешность в определении его местоположения может достигать нескольких километров, что абсолютно недопустимо.

Поэтому наземные радиомаяки были заменены навигационными системами, разработанными для военных целей. Пионером отрасли можно назвать систему Transit или NAVSAT, запущенную в США в 1964 году. Технология использовала шесть спутников, размещенных на низкой орбите вокруг Земли. Эта система обладала средствами определения местоположения объекта с точностью до двухсот метров.

Советский Союз разработал и внедрил аналогичное средство навигации в 1976 году. Для военных целей использовалась система Циклон, а для гражданских объектов применялся аналог под названием Цикада. Наибольший недостаток ранних средств навигации заключался в малом количестве спутников, которые не давали достаточного покрытия сигнала. В результате пользоваться системой можно было только во время прохождения спутников над объектом.

GPS против ГЛОНАСС

Уже в 1974 году военное ведомство Соединенных Штатов запустило первый спутник системы навигации, которая со временем получит название GPS. Спустя 10 лет средства Global Positioning System стали доступными для гражданского флота и авиации, но с менее точным определением местоположения объектов. Последний спутник системы был выведен на орбиту в 1993 году, и для полного покрытия поверхности Земли потребовалось 24 сателлита.

Свою спутниковую навигацию под названием ГЛОНАСС, Советский Союз запустил в 1982 году. Глобальная Навигационная Спутниковая Система развивалась до 1995 года. Из-за малого срока эксплуатации спутников и недостатка финансирования система почти десять лет не работала. Восстановить её работу, с полным покрытием поверхности планеты, удалось только в 2010 году.

Чтобы исключить подобные проблемы, обе системы эксплуатируют 24 спутников, плюс 7 дополнительных, которые способны восполнить выходящие из строя сателлиты. Высота орбиты навигационных спутников около 20 тысяч километров, и за сутки сеть облетает планету дважды.

Принцип работы GPS

Метод определения позиции объекта в сети GPS основан на измерении расстояния от приемника до ближайших спутников. Местоположение спутников точно известно. Расстояние от объекта до спутников рассчитывается умножением времени задержки сигнала на скорость света.

Принцип работы GPS

Контакт объекта с первым сателлитом дает лишь ориентир на расположение приемника. Пересечение двух сигналов дает область расположения, трех определяет две точки, а четырех указывает на верную точку на карте. В роли ориентира используется наша планета, что позволяет вместо 4 сателлитов использовать только три. Теоретически точность определения местоположения объекта на карте равна двум метрам, но на практике существует большая погрешность.

Каждый из спутников отправляет приемнику следующую информацию:

  • Время и его поправку;
  • Альманах;
  • Координаты небесных тел;
  • Данные об ионосфере;

Точное время необходимо для замера задержки сигнала между отправкой и приемом.

Спутники системы навигации оснащены цезиевыми часами, обладающими высокой точностью. Преемники оборудованы кварцевыми устройствами. Проверка точного времени производится с помощью контакта с дополнительным спутником в системе.

Для проверки цезиевых часов используются более точные – водородные, которые находятся на Земле. В центре управления системой происходит расчет поправки времени для каждого спутника. После чего поправка отправляется приемнику.

Альманах представляет собой данные в виде таблицы параметров, указывающих на орбиты спутников на 30 дней. Расчет альманаха производится в центре управления системы.

Дополнительно приемник получает данные эфемерид, координат небесных тел, с помощью которых определяются отклонения орбиты. Расчеты производятся с учетом того, что скорость света постоянна только в вакууме, поэтому учитывается погрешность сигнала в ионосфере.

Передача данных в сети Global Positioning System производится по следующим частотам:

1575,42 и 1224,60 МГц. В системе спутники передают сигнал на одной частоте, с использованием кодированного разделения сигналов по принципу CDMA. То есть, передача данных выглядит как шум, который можно раскодировать с помощью индивидуального PRN-кода.

Этот подход к передаче данных обеспечивает высокую степень устойчивости помехам, а также использовать узкий диапазон частоты при обмене информацией. Это полностью не решает проблему поиска сигнала со спутника, на что есть свои причины:

  • Приемник не владеете информацией о местоположении спутника на орбите, удаляется он или приближается к объекту;
  • Соединение со спутником считается полноценным только в том случае, если приемник получает от него полный пакет данных;

Скорость передачи информации в системе GPS ограничена показателем в 50 бит/с. Если соединение прервано из-за радиопомех, то поиск спутника начинается снова.

Будущее спутниковых систем навигации

В настоящее время GPS и ГЛОНАСС одинаково популярны.  Они применяются в гражданской навигации, и современные чипы поддерживают эти стандарты на равных, подключаясь к ближайшему сателлиту.

Американская и российская системы навигации не единственные в своей отрасли. BEIDOU (Китай), IRNSS (Индия) и QZSS (Япония) новые представители навигационных средств. Они рассчитаны на работу только на территории своих государств, и используют небольшое количество орбитальных сателлитов.

Наибольший интерес вызывает европейская разработка под названием GALILEO. Данная система будет запущена к 2020 году. На старте разработчики планировали использовать сеть для европейского региона, но данным проектом заинтересовались страны Ближнего Востока и Южной Америки. Поэтому GALILEO может стать полноправным конкурентом в глобальной сети навигации. Система будет совместима с уже существующими, GPS и ГЛОНАСС, что повлияет на скорость поиска спутников и качество позиционирования объектов.