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.

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.