Спутниковые навигационные системы (СНС)

Спутниковые навигационные системы (СНС) в последние годы стали ключевым элементам навигационно-временного обеспечения пользователей во всех сферах деятельности ведущих иностранных государств. Использование таких систем обеспечивает надежное и точное определение пространственного местоположения и точного времени в интересах широкого круга потребителей в вооруженных силах, во всех видах транспортных коммуникаций, энергетике и других отраслях экономики.

Основное место за рубежом в данной области занимает американская СНС "Навстар", находящаяся в эксплуатации около 20 лет. Собственные системы создают Европейский союз ("Галилео"), Китай ("Бэйдоу"), Индия (ИРНСС) и Япония (КЗСС).

Принцип работы таких систем одинаков и заключается в том, что находящиеся на околоземных орбитах космические аппараты (КА) непрерывно излучают дальномерные навигационные радиосигналы, содержащие данные об эфемеридах1, альманахе2 и других параметрах. Навигационный приемник пользователя принимает и обрабатывает эти сигналы одновременно от нескольких (не менее четырех) КА и вычисляет на основе полученных данных свои географические координаты (широту и долготу), высоту над уровнем моря, скорость, направление движения и время.

Принцип работы спутниковой навигационной системы

Космический элемент СНС "Навстар"

По зоне обслуживания СНС подразделяются на глобальные (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) и региональные. Кроме того, созданы и постоянно совершенствуются региональные дополнения к системе "Навстар", позволяющие повысить точность и расширить возможности получения и использования навигационных данных.

Глобальная спутниковая навигационная система "Навстар" (NAVSTAR - NAVigation System using Timing And Ranging) является наиболее распространенным средством определения местоположения для широкого круга военных и гражданских пользователей.

В автономном режиме система предоставляет услуги стандартного (SPS -Standard Positioning Service) и точного (PPS - Precise Positioning Service) позиционирования. При этом точность определения местоположения составляет не хуже 6 и 3 м соответственно. Согласно планам американского военного ведомства, к 2030 году эти показатели должны быть улучшены практически на порядок (0,4 и 0,7 м). Кроме того, в системе поддерживается дифференциальный режим, позволяющий улучшить точность определения координат.

Для предотвращения использования системы "Навстар" в ущерб национальным интересам руководство США может вводить ограничительные меры, предусматривающие преднамеренное снижение точности определения координат в стандартном режиме вплоть до временного отключения открытых навигационных сигналов.

Космический элемент СНС "Навстар" включает 31 КА второго поколения ("Навстар-2") на орбитах высотой около 20 тыс. км с наклонением 55° и периодом обращения 11 ч 58 мин. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 60°. В составе группировки в настоящее время используются КА "Навстар" четырех модификаций: 2А (семь единиц, 1990-1997 годы запуска), 2R (12 единиц, 1997-2004), 2RM (семь единиц, 2005-2009) и 2F (пять единиц, 2010-2014). Спутник "HaecTap-2F6", запущенный в мае 2014 года, находится на испытаниях. Всего в течение ближайших двух-трех лет в системе планируется использовать 12 КА модификации 2F.

Аппараты модификаций 2А и 2F созданы компанией "Боинг", a 2R и 2RM -"Локхид-Мартин".

Бортовые радиопередатчики КА семейства "Навстар-2" излучают на трех частотах L-диапазона (LI, L2 и L5) семь навигационных сигналов, в том числе три открытых и четыре защищенных.

Спутники модификаций 2А и 2R передают сигналы L1C/A, L1P(Y) и L2P(Y), "Навстар-2ЯМ" - те же сигналы и дополнительно L1M, L2C и L2M, а "Нав-CTap-2F" - все семь сигналов.

Открытые сигналы предназначены для использования в любых навигационных приемниках, в том числе в профессиональном оборудовании, коммерческих навигаторах, планшетных компьютерах, смартфонах и других общедоступных устройствах. В стандартном режиме определения местоположения применяются только открытые сигналы, а защищенные сигналы - в точном режиме определения местоположения только в навигационных приемниках авторизованных пользователей, в том числе вооруженных сил США и их союзников.

Кроме навигационного оборудования на борту КА "Навстар" установлена аппаратура GBD американской космической системы обнаружения ядерных взрывов (NDS - Nuclear detonation Detection System).

Спутники третьего поколения "Навстар-3" с дополнительным открытым навигационным сигналом (ЫС) должны заменить к 2025 году находящиеся в эксплуатации КА семейства "На-встар-2" и обеспечить повышенную точность определения местоположения и защищенность военных навигационных сигналов от средств радиоэлектронной борьбы. В состав бортовой аппаратуры этих аппаратов планируется включить узконаправленные антенны для передачи защищенных сигналов с повышенной мощностью в ограниченных районах обслуживания на земной поверхности.

В составе космического элемента предполагается развернуть 32 КА трех модификаций: ЗА (восемь), ЗВ (16) и ЗС (восемь, с возможностью приобретения дополнительно восьми КА для обеспечения требуемого уровня защищенности сигналов).

Головным разработчиком спутников третьего поколения является фирма "Локхид-Мартин". В качестве альтернативных вариантов рассматривается возможность модернизации конструкции КА для обеспечения одновременного запуска двух аппаратов одной ракетой-носителем, создания недорогих спутников NavSat с ограниченными навигационными возможностями и без аппаратуры ОЯВ, а также использования геостационарных КА с дополнительной навигационной полезной нагрузкой.

Наземный элемент СНС "Навстар" выполняет ряд функций: осуществляет контроль функционирования спутников системы, измерение и прогнозирование эфемерид, закладку данных в бортовые навигационные Процессоры КА, формирование и синхронизацию системного времени. В его состав входят: станции управления системой на авиабазах Шривер (штат Колорадо) и Ванденберг (Калифорния), станции закладки эфемерид, размещенные на о. Вознесения (Атлантический океан), о. Диего-Гарсия (Индийский океан) и Маршалловых о-вах (Тихий океан), а также сеть контрольных станций, находящихся в различных регионах мира. Работы по модернизации наземного элемента проводятся в рамках программы OCX, рассчитанной до 2019 года и нацеленной на обеспечение функционирования на орбите спутников второго (модификации 2F) и третьего поколений.

Зоны обслуживания космическими дополнениями WAAS и EGNOS

Навигационные приемники используются во всех видах и родах войск ВС США и их союзников. На вооружении сухопутных войск находятся современные двухчастотные 12-ка-нальные приемники типа DAGR и их уменьшенный вариант - MicroDAGR. Они оснащаются электронным модулем SAASM, предназначенным для защиты от имитации сигналов и несанкционированного доступа. Наряду с этим продолжается эксплуатация предыдущего поколения одночастотных пятиканальных приемников типа PLGR.

В военно-воздушных силах используется двухчастотный 12-канальный авиационный приемник MAGR 2000 (Miniature Airborne GPS Receiver), а в военно-морских силах - двухчастотный пятиканальный корабельный приемник WRN-6.

НИОКР по дальнейшему совершенствованию навигационной аппаратуры для военных пользователей ведутся в рамках программы MGUE (Military GPS User Equipment), рассчитанной до 2017 года и предусматривающей создание нового поколения приемников для летательных аппаратов и наземных средств.

Всего на реализацию программы "На-встар" из бюджета Пентагона уже израсходовано около 34 млрд долларов, а на совершенствование системы до 2030 года планируется потратить порядка 22 млрд.

Космические и наземные расширения СНС "Навстар" создаются для повышения точности и доступности навигационных услуг на национальном и региональном уровне. Космические расширения (SBAS - Space-Based Augmentation Systems) обслуживают территорию США, Канады и Мексики (система WAAS), Европы (EGNOS), Индии (GAGAN) и Японии (MSAS).

Принцип функционирования космических расширений основан на использовании дифференциального режима и дополнительных передатчиков навигационных сигналов, установленных на геостационарных спутниках.

Система WAAS функционирует с середины 2000-х годов на базе трех геостационарных спутников (Anik FIR, Galaxy 15 и Inmarsat 4F3) и наземного сегмента, включающего в свой состав около 30 опорных станций.

Наземные дополнения (GBAS -Ground-Based Augmenation Systems) основаны только на дифференциальном режиме работы СНС "Навстар". Их зона обслуживания зависит от количества и мест размещения опорных станций. На территории США развернута наземная система NDGPS (более 90 опорных станций), обеспечивающая точность определения местоположения до 1-2 м. Кроме того, для обеспечения точного инструментального взлета и посадки военных и гражданских самолетов созданы и совершенствуются дифференциальные дополнения JPALS и LAAS, соответствующие требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Космический элемент Galileo

Европейская спутниковая навигационная система "Галилео" (Galileo) создается с начала 2000-х годов в рамках совместного проекта Еврокомиссии и европейского космического агентства. Она должна обеспечивать предоставление в глобальном масштабе навигационных услуг для различных категорий пользователей, включая правительственные, в том числе военные, структуры, а также коммерческий и открытый доступ. Точность определения местоположения для двухчастотных приемников должна составить около 5 м.

На начальном этапе создания системы в 2005 и 2008 годах на орбиты были выведены два экспериментальных КА типа GIOVE, предназначенных для исследования дальномерных навигационных сигналов. В ходе очередного этапа в 2011-2012 годах были осуществлены запуски четырех экспериментальных КА типа "Галилео" IOV (In-Orbit Validation) для проведения орбитальных испытаний бортовой аппаратуры и проверки ее совместимости с наземными средствами управления и навигационными приемниками. На текущий год запланированы запуски первых эксплуатационных спутников "Галилео" FOC (Full Operational Capability), а полное развертывание орбитальной группировки в составе 30 КА намечено завершить к 2018-му.

Аппараты будут выводиться на орбиты высотой около 23 200 км с наклонением 56° и периодом обращения 14 ч. Все КА будут равномерно размещены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120°.

Головным разработчиком КА является германская фирма ОНВ System. Бортовое навигационное оборудование создает британская фирма SSTL.

В системе "Галилео" планируется использовать семь навигационных сигналов (пять открытых и два защищенных) на трех частотах L-диапазона. Радиолиния L6 будет задействоваться в интересах поисково-спасательных служб.

Наземный элемент СНС "Галилео" включает в свой состав: два центра управления, находящихся в городах Оберп-фаффенхофен (Германия) и Фучино (Италия); комплекс орбитальных испытаний в Бельгии; размещенные в различных районах мира станции закладки данных на борт КА; дальномерные станции; средства командно-телеметрического контроля и управления.

На создание СНС "Галилео" уже израсходовано около 3,5 млрд евро, а до 2020 года на реализацию этого проекта намечено выделить еще 7 млрд.

Европейское дополнение EGNOS системы "Навстар" функционирует с середины 2000-х годов. В настоящее время в его составе используются комплекты навигационной аппаратуры, установленные на борту четырех коммерческих спутников связи на геостационарной орбите ("Ин-MapcaT-3F2 и -4F2", SES-5, "Артемис"). Они излучают общедоступные навигационные сигналы на частоте L1 (1 575,42 МГц), аналогичные используемым в американской системе.

Космический элемент СНС "Бэйдоу"

Китайская СНС "Бэйдоу" (BeiDou) на базе спутников первого поколения (три геостационарных КА) была развернута в 2000-2003 годах и находилась в эксплуатации около десяти лет. В ней применялся запросный способ определения местоположения, а точность позиционирования составляла десятки метров.

В 2007 году в Китае началось развертывание системы второго поколения на базе КА семейства "Бэйдоу-2". В течение пяти лет на орбиты были выведены 16 спутников, 14 из которых находятся в работоспособном состоянии. Четыре ИСЗ ("Бэйдоу-2М") размещены на круговых орбитах высотой около 21 500 км с наклонением 55° и периодом обращения 12 ч 53 мин, пять ("Бэйдоу-20") -на геостационарной орбите и четыре ("Бэйдоу-2IGSO") - на геосинхронных 24-часовых орбитах с наклонением 55°.

В таком составе орбитальная группировка обеспечивает навигационные услуги на территории страны и в районе с координатами 55° с. ш. - 55° ю. ш., 80-160° в. д. с точностью 10-15 м.

Бортовые передатчики КА семейства "Бэйдоу-2" излучают на трех частотах L-диапазона пять навигационных сигналов с видом модуляции QPSK, в том числе два открытых и три защищенных.

В текущем году планируется приступить к созданию системы третьего поколения на базе КА семейства "Бэй-доу-3", которая к 2020 году должна иметь глобальную зону обслуживания и предоставлять навигационные услуги с точностью не хуже 10 м. В составе космического элемента намечается иметь 27 аппаратов на круговых орбитах высотой около 21 500 км, пять КА на геостационарной и три на наклонных геосинхронных орбитах.

Бортовые передатчики будут излучать 11 сигналов (шесть открытых и пять защищенных) на трех частотах L-диапазона, при этом шесть из них будут содержать навигационные данные, а пять использоваться только для измерения дальности. Несущие частоты двух радиолиний должны быть изменены. Так, сигналы В1 планируется передавать на несущей частоте 1 575,42 МГц (вместо 1561,1 МГц), используемой в СНС "Навстар" (L1), а сигналы В2 - на частоте1 191,795 МГц (вместо 1 207,14 МГц), выделенной также для европейской системы "Галилео" (Е5).

Индийская региональная СНС ИРНСС (IRNSS - Indian Regional Navigation Satellite System) создается с середины 2000-х годов в интересах военных и гражданских потребителей. Зона обслуживания системы будет охватывать земную поверхность в пределах 40° с. ш. - 40 ю. ш., 40 -140° в. д. В соответствии с заданными требованиями точность определения координат должна составлять до 10 м на территории Индии и сопредельных государств и до 20 м в регионе Индийского океана.

Космический элемент будет включать в свой состав три КА на геостационарной и четыре на наклонных 24-часовых орбитах. Первый и второй КА "ИРНСС-1А и -1В" были выведены на геостационарную орбиту в 2013 и 2014 годах. Развертывание орбитальной группировки в полном составе планируется завершить в 2016 году.

Радионавигационная аппаратура КА типа "ИРНСС-1" осуществляет передачу сигналов для военных и гражданских пользователей на частоте 1 176,45 МГц, совместимой с сигналами американской СНС "Навстар" (L5) и европейской "Галилео" (Е5а), и на частоте 2 492,08 МГц, предназначенной для обслуживания только национальных потребителей. На обеих частотах передаются защищенный и открытый навигационные сигналы.

Индийское дополнение GAGAN (GPS And GEO Augmented Navigation) американской СНС "Навстар" находится в эксплуатации с 2009 года. В настоящее время в состав космического сегмента входят два комплекта навигационной аппаратуры,установленной на геостационарных спутниках связи GSAT 8 и GSAT 10. В дальнейшем планами предусматривается наращивание космического элемента этой системы до трех спутников (запуск КА GSAT 15 намечен на текущий год), развертывание наземных опорных станций на территории других стран региона и сертификация системы согласно требованиям ИКАО.

Суточная трасса КА типа QZS 1

Японская СНС КЗСС (QZSS - Quasi-Zenith Satellite System) создается одновременно и как самостоятельная система, и как дополнение к "Навстар" для повышения уровня доступности навигационных сигналов в условиях высотной городской застройки и гористой местности. Принцип ее функционирования состоит в том, что над территорией страны постоянно находится один-два геосинхронных спутника приблизительно в зените (при углах места 70-80°), что позволит обеспечивать прием передаваемых ими навигационных сигналов при угле места наблюдения спутника не менее 70° (для Токио - 80°).

Запуск первого геосинхронного КА QZS 1 (другое наименование Michi-biki 1) был осуществлен в 2010 году. Сроки производства и запуска следующих аппаратов пока не определены. Бортовые передатчики излучают на четырех частотах L-диапазона шесть навигационных сигналов, четыре из которых (L1C/A, L1C, L2C, L5) совместимы с сигналами системы "Навстар" и один (LEX) - с аналогичным сигналом (Е6) европейской СНС "Галилео". В наземном элементе используются контрольные станции, находящиеся в Японии,Индии, Австралии, Таиланде, на о. Гуам и Гавайских о-вах.

Японское дополнение MSAS (Multi-transport Satellite based Augmentation System) американской СНС "Навстар" было развернуто в 2005-2006 годах на базе навигационной аппаратуры, установленной на двух геостационарных метеорологических спутниках -MTSAT 1R и 2. Запуски очередных двух КА данного типа планируется осуществить в текущем и 2016 годах. Система используется в основном для высокоточного навигационного обеспечения полетов авиации в зоне действия японской системы управления воздушным движением.

Таким образом, ведущиеся за рубежом работы в области создания и совершенствования спутниковых навигационных систем направлены на развертывание и модернизацию орбитальных группировок космических аппаратов, наземных средств управления и навигационных приемников в целях повышения точности, доступности и надежности определения пространственных координат и времени для военных и гражданских потребителей.

1 Эфемериды - прогнозируемые параметры движения КА.

2 Альманах - данные о местоположении и состоянии всех КА системы.

Источник: https://factmil.com/publ/strana/indija/zarubezhnye_sputnikovye_navigacionnye_sistemy_2014/92-1-0-450