Глобальные навигационные спутниковые системы

 

2.3 Навигация

Технические средства навигации

НАП «ГРОТ-М» (НИИКП, 2003 г.) один из первых образцов

 

Приёмовычислительный модуль ГЛОНАСС 1К-181

 

 

Экран прибора-навигатора Glospace с отображением плана московских улиц в перспективной проекции и указанием местоположения наблюдателя.

Ё-мобиль будет иметь ГЛОНАСС/GPS навигатор в стандартной комплектации.

 

Впервые потребительские  спутниковые навигаторы, рассчитанные на совместное использование ГЛОНАСС  и GPS, поступили в продажу 27 декабря 2007 года — это были спутниковые навигаторы Glospace. Однако первым приёмником, рассчитанным на работу с американской и российской навигационными системами, был профессиональный прибор компании Ashtech GG24, выпущенный в 1995 году.

Точность навигации

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстаёт от аналогичных показателей для GPS.

Согласно данным СДКМ на 22 июля 2011 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p=0,95) по долготе и широте составляли 4,46—7,38 м при использовании в среднем 7—8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2,00—8,76 м при использовании в среднем 6—11 КА (в зависимости от точки приёма).

При совместном использовании  обеих навигационных систем ошибки составляют 2,37—4,65 м при использовании в среднем 14—19 КА (в зависимости от точки приёма).

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью  до 5 м. Ранее система определяла местонахождение объекта лишь с  точностью до 50 м. На значение в один метр специалисты рассчитывают выйти  через три года.

2.4 Модернизация системы

Модель КА Глонасс-К на выставке CeBIT

Согласно программе модернизации системы ГЛОНАСС, действующей до 2020 года:

• В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 — ПЗ-90.02.
• С 2004 года запускаются новые КА Глонасс-М, которые транслируют два гражданских сигнала на частотах L1 и L2.
• В 2007 году проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, вследствие чего увеличилась точность определения координат.
• Во 2-ой фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличится точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что приведёт к повышению точности навигационных определений.
• Начиная с 2010 начинается постепенное введение КА Глонасс-К, в которых реализованы дополнительные сигналы в формате CDMA, что облегчит разработку мультисистемных навигационных приборов, так как похожие сигналы используются в навигационных системах GPS/Galileo/Compass. Развертывание новых КА начнется с двух КА «Глонасс-К1» в декабре 2010 года, в которых будет тестироваться новый открытый сигнал в диапазоне L3.
• В 2013—2014 намечен запуск усовершенствованного спутника КА «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появится открытый сигнал в диапазоне L1.
• В 2015—2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ», характеристики которого находятся в стадии изучения; предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 5 открытых и до 3 зашифрованных сигналов с кодовым разделением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 GPS

GPS (англ. Global Positioning System) — обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования  системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

3.1 История

Идея создания спутниковой  навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был  запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная  в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Первоначально GPS — глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит из-за дезориентации экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.

Спутники
Блок	Период  запусков	Запуски спутников				Работают  сейчас
		Запу-  щено	Не  успешно	Гото-  вится	Заплани-  ровано
I	1978-1985	10	1	0	0	0
II	1989-1990	9	0	0	0	0
IIA	1990-1997	19	0	0	0	11
IIR	1997-2004	12	1	0	0	12
IIR-M	2005-2009	8	0	0	0	7
IIF	2010-2011	2	0	10	0	2
IIIA	2014-?	0	0	0	12	0
Всего		59	2	11	12	31

 

3.2 Применение GPS

Приёмник сигнала GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные  цели, сегодня GPS всё чаще используются в гражданских целях. GPS-приёмники  продают во многих магазинах, торгующих  электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны и КПК. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS 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 GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

Точность

Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости  составляет примерно 6-8 метров при хорошей  видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции. На территории США и Канады имеются станции WAAS, передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1-2 метров на территории этих стран. При использовании более сложных дифференциальных режимов, точность определения координат можно довести до 10 см. К сожалению, точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.

В ближайшее время все  аппараты нынешнего стандарта GPS будут  заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы  к джаммингу (теперь нужны глушилки в 100 раз мощнее).

Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60-90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для пользователей GpsLOG и владельцев GPS-навигаторов.

В данный момент на орбиту выведены первые два спутника из новой версии : GPS IIF SV-1 запущен в 2010 году и GPS IIF-2 запущен 16 июля 2011 года.

Недостатки

Общим недостатком использования  любой радионавигационной системы  является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.

 

 

 

 

 

 

 

 

Хронология

Запуск спутника GPS-IIR-14 ракетой Delta 7925. 25.09.2005, Мыс Канаверал, США

 

1973	Решение о разработке спутниковой  навигационной системы
1974—1979	Испытание системы
1977	Приём сигнала от наземной станции, симулирующей спутник системы
1978—1985	Запуск одиннадцати спутников  первой группы (Block I)
1979	Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников  вместо запланированных 24.
1980	В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащённых сенсорами регистрации ядерных взрывов.
1980—1982	Дальнейшее сокращение финансирования программы
1983	После гибели самолёта компании Korean Airline, сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам.
1986	Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как последний планировался для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта»
1988	Решение о развёртывании  орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы.
1989	Активация спутников второй группы
1990—1991	Временное отключение SA (англ. selective availability — искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приёмников. Включение SA 01 Июня 1991 года.
08.12.1993	Сообщение о первичной  готовности системы (англ. Initial Operational Capability). В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам
1994	Спутниковая группировка  укомплектована
17.07.1995	Полная готовность системы (англ. Full Operational Capability)
01.05.2000	Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом точность определения выросла со 100 до 20 метров
26.06.2004	Подписание совместного  заявления по обеспечению взаимодополняемости  и совместимости Galileo и GPS
Декабрь 2006	Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения  взаимодополняемости космических  навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ГАЛИЛЕО

Галилео (Galileo) — совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства, является частью транспортного проекта Трансъевропейские сети (англ. Trans-European Networks). Система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее одного метра. Ныне существующие GPS-приёмники не смогут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео, хотя достигнута договорённость о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Финансирование проекта будет осуществляться, в том числе за счёт продажи лицензий производителям приёмников.

Помимо  стран Европейского союза достигнуты договорённости на участие в проекте  с государствами — Китай, Израиль, Южная Корея, Украина и Россия. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2014—2016 годах, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников, начиная с 2010 года. Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.

В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку осуществляет Европейское космическое агентство. Общие затраты на создание системы оцениваются в 4,9 млрд евро.

4.1 Этапы проекта

Первый этап

Первая  фаза — планирование и определения задач стоимостью в 100 млн евро, второй этап состоит в запуске двух опытных спутников и развития инфраструктуры (наземных станций для них) стоимостью 1,5 млрд евро.

Первый  опытный спутник системы Галилео  был доставлен на космодром Байконур 30 ноября 2005 года. 28 декабря 2005 года в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат GIOVE-A был выведен на расчётную орбиту высотой 23 222 км с наклонением 56°. Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина — 1,2 м, диаметр — 1,1 м. Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах

Второй этап

Второй  опытный спутник системы Галилео GIOVE-B был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача GIOVE-B состоит в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам. GIOVE-B — первый спутник, в котором в качестве часов используется водородный мазер. GIOVE-B способен передавать несколько модификаций дальномерного кода открытой службы на частоте L1 (модуляции BOC(1,1), CBOC, TMBOC), из которых предполагается выбрать одну для дальнейшего постоянного использования.