Лекция № 3
Система навигации — это комплексная электронно-техническая система, состоящая из аппаратуры наземного и космического базирования и предназначенная для определения местоположения и параметров движения наземных, водных и воздушных объектов. Любая спутниковая система навигации включает: орбитальную группировку, состоящую из нескольких спутников; наземную инфраструктуру, содержащую систему управления и контроля, средства высокоточного определения текущего положения спутников, дифференциальной коррекции, фундаментального обеспечения и пр.; приемное клиентское оборудование (спутниковые навигаторы).
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблицу положений всех спутников, называемую альманахом, закладывают в память навигатора до начала измерений. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, можно вычислить положение объекта в пространстве. Для измерения времени распространения радиосигнала (по которому определяется расстояние от объекта) каждый спутник системы в составе своего сигнала излучает сигналы точного времени, используя для этого синхронизированные с системным временем атомные часы. Часы спутникового приемника (навигатора) синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, также содержащимся в сигнале спутника, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигатор вычисляет свои координаты. Накапливая и обрабатывая эти данные за определенный промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость, пройденный путь и другие.
Перейдем к краткому обзору существующих сегодня в мире навигационных спутниковых систем.
GPS – глобальная система позиционирования, разработанная, реализованная и эксплуатируемая Министерством обороны США. Первый тестовый спутник выведен на орбиту в 1974 г, последний, 24-й, – в 1993 г., после чего GPS встала на вооружение. В 1980-е гг. президент США Р. Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный прием и хороший расчет позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве. Сегодня GPS-приемники все чаще используются в гражданских целях, в основном для определения местонахождения и скорости. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные приложения. Типичная точность современных GPS-приемников в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 м при хорошей видимости спутников. Невысокое наклонение орбит GPS (≈ 55°) серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.
ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система. Советская, а ныне российская спутниковая система навигации была разработана по заказу Министерства обороны СССР. Ее основой системы являются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклонением 64,8 и высотой орбит 19100 км. Изначально предназначенные для военных целей, ГЛОНАСС и GPS стартовали практически одновременно, но затем GPS развивался планомерно, а ГЛОНАСС вместе со всей страной переживал системный кризис 1990-х. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен на орбиту в 1982 г. В 1993 г. система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 г. спутниковая группировка была развернута до штатного состава — 24 спутника. Из-за недостаточного финансирования и малого срока службы КА, число работающих спутников сократилось к 2001 г. до 6. В этом же году была принята ФЦП «Глобальная навигационная система», в соответствии с которой к 2011 г. орбитальная группировка была доведена до штатного состава. Кроме того было обеспечено ее поддержание за счет запуска модернизированных КА «Глонасс-М» и начато создание орбитального резерва. Доступность навигационного поля системы ГЛОНАСС в настоящее время составляет 100% как на территории России, так и в глобальном масштабе. Точность системы обеспечена на конкурентоспособном уровне – со среднеквадратичным отклонением 5,6 м, что удовлетворяет требованиям большинства потребителей.
В 2011 г. начались летные испытания навигационного КА нового поколения «Глонасс-К», который обеспечит решение задач на качественно новом уровне. Разработана и принята новая программа, направленная на поддержание, развитие и широкомасштабное использование системы ГЛОНАСС (ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы»). Программой предусмотрено развитие всех структурных элементов системы.
Для поддержания космического сегмента ГЛОНАСС планируется изготовление 13 КА «Глонасс-М» и 22 КА «Глонасс-К» и 1 КА геодезического назначения, запуск которого обеспечит улучшение точностных характеристик системы. Для обновления электронных карт предусмотрена разработка картографической космической системы в рамках которой будут созданы и запущены 2 КА оптико-электронной съемки местности. Запланирована модернизация наземной космической инфраструктуры ГЛОНАСС – наземного комплекса управления, системы высокоточного определения эфемерид и временных поправок, системы дифференциальных коррекций и мониторинга, средств фундаментального обеспечения. Это обеспечит повышение точности навигационных определений потребителей до дециметрового и сантиметрового уровней.
Galileo — навигационная система, развертываемая Европейским космическим агенством (ESA) и предназначенная для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее 1 м. Основу космического сегмента системы составит группировка из 27 среднеорбитальных спутников (на настоящий момент запущены 2). В полном объеме Galileo начнет функционировать не ранее 2015 г. В рамках системы создается ряд служб, ориентированных на различные группы абонентов. Открытая общая служба предоставит бесплатный сигнал, сопоставимый по точности с ныне существующими системами (гарантии его получения предоставляться не будут). Служба повышенной надежности, гарантирующая получение сигнала и предупреждения о понижении точности, предусмотрена прежде всего для использования в авиации и судовой навигации. Коммерческая служба предоставит кодированный сигнал, обеспечивающий точность позиционирования до 10 см. Права на использование сигнала планируется перепродавать через провайдеров.
Правительственная служба – особо надежная и высокоточная служба с использованием кодированного сигнала и строго контролируемым кругом абонентов. Сигнал защищается от попыток его симулировать и предназначен прежде всего для использования спецслужбами (полиция, береговая охрана и т. д.)
Поисково-спасательная служба призвана обеспечить прием сигналов бедствия и позиционирование его места. Система должна дополнить, а затем и заменить ныне существующую КОСПАС/САРСАТ.
Compas/(Beidou-2) – глобальная навигационная система, разрабатываемая в КНР, создается на базе существующей региональной навигационной системы Beidou1, охватывающей Китай и соседние страны. Орбитальная группировка Beidou1 включает 4 геостационарных спутника. Существенное отличие BeiDou1 от перечисленных систем состоит в методе определения координат. Координаты абонента определяются при взаимном информационном обмене по каналу абонент – спутник – станция мониторинга. Навигатор BeiDou, являющийся как приемником, так и передатчиком, массивнее и дороже навигаторов перечисленных систем. Кроме того число пользователей, одновременно работающих с системой, ограничено. BeiDou1 обеспечивает точность определения координат с погрешностью не более 100 м, при использовании дифференциальных методов разброс может быть уменьшен до 20 м. Долгосрочной целью КНР в области спутниковой навигации является построение глобальной спутниковой системы, включающей группировки на средних, геостационарных и круговых геосинхронных орбитах (всего 35 КА).
Развиваются региональные системы спутниковой навигации в Японии (QZSS) и Индии (IRNSS). Особое место в ряду систем спутниковой навигации занимает Международная система поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ. Созданная усилиями 4-х государств (СССР, США, Канады и Франции), сегодня она насчитывает более 40 участников.
Система включает в себя: радиобуи, работающие на частоте 406 МГц; полезные нагрузки спутников, расположенных на низкой и геостационарной орбитах; наземные приемные станции, размещенные в разных частях света; сеть координационных центров для направления данных о бедствии и его местоположении в поисково-спасательные службы всего мира.
Система доступна морским и авиационным пользователям и простым людям в случае бедствия. Доступ к системе обеспечен всем государствам на недискриминационной основе и бесплатно для конечного пользователя.
КОСПАС-САРСАТ являет нам яркий пример плодотворного международного сотрудничества в области спутниковой навигации. С начала своей работы в 1982 г. системой предоставлены аварийные данные, которые позволили осуществить свыше 8 тыс. поисково-спасательных операций и спасти более 30 тыс. человек.
Сегодня мировое навигационное сообщество движется по пути интеграции отдельных глобальных и региональных навигационных спутниковых систем в единую глобальную навигационную сеть. Это непростая долгосрочная задача. Ее решению способствуют международные навигационные выставки, конференции и форумы, в числе которых открывающиеся 24 апреля с.г. в Экспоцентре VII Международный форум по спутниковой навигации и 5-я международная выставка "НАВИТЕХ-2013".
За последнее десятилетие роль систем координатно-временного и навигационного обеспечения значительно возросла и стала одним из значимых факторов обеспечения национальной безопасности, экономического роста страны и развития науки и все большее число потребителей нуждаются в высокоточном навигационном и временном обеспечении [1].
К таким потребителям относятся морские и речные суда, транспортные средства, летательные аппараты и другие.
Навигационная и временная информация доставляется потребителям различными средствами, к которым относятся:
-глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS;
и системы наземного базирования:
- РНС дальней навигации (фазовые радионавигационные системы (ФРНС);
- РНС ближней навигации (импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС);
-системы управления воздушным движением, системы управления движением судов и автоматические системы зависимого наблюдения;
-радиолокационные станции контроля морского, воздушного и космического пространства.
Навигационные системы космического и наземного базирования обладают как преимуществами, так и недостатками. Космические системы имеют глобальную зону покрытия, обеспечивают высокую точность навигационного и временного обеспечения, но обладают относительно низкой помехоустойчивостью, уязвимы и плохо, без информационной поддержки, работают в сложных условиях (гористая и лесистая местность, ущелья, городская застройка, помещения). Наземные системы, с одной стороны, имеют ограниченную зону действия, не столь высокую, как космические навигационные системы, но вместе с тем обладают высокой помехоустойчивостью и способностью обеспечить навигацию в сложных условиях.
Недостатки систем космического и наземного базирования могут быть преодолены созданием комплексированной навигационной аппаратуры потребителей, способной решать навигационно-временную задачу, используя в одном решении сигналы космических и наземных систем[1].
Первым шагом к достижению поставленной цели является обеспечение синхронизации моментов излучения сигналов всех систем космического и наземного базирования.
Для решения этой задачи в период с 2007 по 2011 год в ОАО «РИРВ» была разработана система синхронизации средств формирования навигационных полей (ССНП).