logo
А

6.2 Спутниковые навигационные системы

Рассматривая спутниковые системы связи, никак нельзя обойти внимаем еще одну сферу совместного применения космических и радиотехнологий – спутниковые навигационные системы.

Сама по себе радионавигация уже давно не является новостью, ее широкое развитие началось еще до начала освоения космоса, примерно в 30-х годах 20 века. Принцип радионавигации заключается в том, что движущийся объект может определить свое положение в пространстве, принимая радиосигналы от специальных радиопередающих станций, координаты которых известны заранее [66].

Простейшим радионавигационным средством является радиомаяк. Пользователь такой системы определяет направление прихода радиоизлучения (иными словами, пеленгует его). Используя несколько пеленгов, он вычисляет свое положение на местности. Такая навигация называется угломерной. Более сложные системы – дальномерные – измеряют дальность до излучающих сигнал радиостанций. Как и в радиолокации, эти дальности вычисляются через измеренное время прихода радиосигнала и скорость распространения радиоволн. Используя дальности до нескольких радиостанций, пользователь системы может определить свое местоположение [66].

В наше время для радионавигационного обеспечения во всем мире используются два вида навигационных систем – наземные и спутниковые. В качестве примера наземных радионавигационных систем можно упомянуть системы дальней навигации „Омега“ (США) и „Маршрут“ (Россия) (сверхдлинноволновой диапазон), LOran (США) и „Тропик“ (Россия) (длинноволновый диапазон). Системы LOran и „Тропик“ попарно совместимы между собой, т. е. позволяют использовать передающие радиостанции как одного, так и другого типа. Кроме этого, существуют системы ближней радионавигации: западные системы VOr/DMЕ (радиомаяк VOr и измеритель дальности DMЕ), российская система ближней навигации РСБН, средневолновые приводные авиационные средства ПРС/АРК (приводная радиостанция/автоматический радиокомпас) и еще целый ряд специализированных навигационных радиосистем [66].

Одним из первых применений спутниковых технологий для целей навигации стало создание космической системы поиска аварийных судов и самолётов КОСПАС – САРСАТ (SARSAT). Существовавшие ранее (и продолжающие оставаться в эксплуатации до наших дней) системы аварийного оповещения использовали традиционные средства радиосвязи, работающие на частотах 500 и 2182 kHz. Такие системы имели весьма ограниченные возможности по дальности связи и обращение к спутниковым технологиям было единственной возможностью сделать систему аварийного оповещения глобальной [100].

152

Система КОСПАС-SARSAT создавалась с 1977 по 1982 годы параллельно в СССР (КОСПАС, космическая система поиска аварийных судов и самолётов) и в США, Канаде и Франции (САРСАТ, англ. SARSAT, Search and rescue satellite aided tracking). Оба проекта были полностью совместимы и объединялись в единую глобальную систему, которая была построена с использованием низкоорбитальной спутниковой группировки. В состав этой группировки вошли спутники, запускаемые на орбиту высотой 800 – 1000 км (little LEO) с наклонением, близким к полярному, наземные приемные станции и аварийные радиобуи. Один спутник в любой точке пролёта принимал сигнал с круга на поверхности океана или суши диаметром около 6 тыс. км (охватываемая площадь до 27 тыс. км2) при угле видимости с поверхности Земли в 7°.

Первый этап создания этой системы завершился запуском советского спутника „Космос 1383“ 30 июня 1982 года. Уже в процессе технических испытаний на самых начальных этапах проявилась её высокая эффективность. Только за первые три месяца работы системы удалось спасти жизнь двенадцати гражданам Канады, США и Англии. 24 марта 1983 года был выведен на орбиту второй советский спутник системы КОСПАС „Космос 1447“, а 28 марта 1983 года – американский спутник системы SARSAT NOAA-8. Через год на счету системы КОСПАС-SARSAT были сотни спасённых жизней, и более 20 стран выразили желание присоединиться к ней. В окончательном варианте космический сегмент системы состоял из четырёх спутников (двух советских и двух американских) и достаточно густой сети станций приёма, что обеспечивало надёжную фиксацию аварийных сигналов и определение места нахождения радиобуя за время от нескольких минут до одного часа даже в экваториальных районах, где расходимость спутников друг от друга наибольшая. К 1992 году около 50 тысяч морских судов во всём мире было оборудовано средствами космической навигации [4, 100].

Система КОСПАС-SARSAT действовала следующим образом. Каждое судно, самолёт или другой объект оснащался небольшими аварийными радиопередатчиками, работающими на специально выделенных частотах 121,5 и 406 МHz. Передатчик включался в случае аварии и автоматически посылал сигнал бедствия на один из спутников, который периодически появлялся в зоне радиовидимости из любой точки поверхности Земли. Принятый спутником сигнал сохранялся в памяти бортового компьютера спутника и при пролёте над одним из наземных приёмных центров сбрасывал ему информацию на частоте 1544,5 МHz. Наземный сегмент системы состоял из ряда приёмных центров, соединенных линиями связи с единым координационным центром КОСПАС (САРСАТ имел свой координационный центр). В функции координационного центра входила обработка данных и оповещение поисково-спасательных служб соответствующих стран. Одновременно с приёмом сигнала со спутника

153

определялись и координаты терпящего бедствие объекта, что обеспечивало быстрое и эффективное оказание помощи. Советский наземный сегмент системы включал приёмные центры, оснащённые отечественной аппаратурой, которые были развёрнуты в Москве, Архангельске, Владивостоке, Новосибирске и Находке. Иностранные наземные станции приёма информации находились в Оттаве, Тулузе, Сан-Франциско, Сент-Луисе, Тромсё, Кодьяке и ещё в целом ряде городов мира. Эти станции оснащались аппаратурой западного производства.

Простейший аварийный радиобуй советского производства АРБ-121,5 передавал в эфир немодулированный сигнал на частоте 121,5 МHz, чего было достаточно для определения его координат с точностью до 20 км по величине доплеровского сдвига частоты, измеряемого во время полёта спутника в зоне видимости наземной станции. Такая точность была вполне приемлемой, поскольку бортовые приёмники-пеленгаторы поисковых судов и самолетов того времени могли принимать сигнал радиобуя с расстояния в 30 км. Более совершенный радиобуй АРБ-406 оснащался двумя передатчиками, один из которых на частоте 406 МHz посылал сигнал на спутник, а другой, работая на частоте 121,5 МHz, служил приводным маяком для радиопеленгаторов спасательных средств. На этом радиобуе имелось запоминающее устройство, в которое заранее вводилось название судна и его государственная принадлежность, а в момент включения – текущие координаты и характер аварии. Эти данные по каналу 406 МHz передавались на спутник и далее – в координационный центр. Таким образом, спасательная операция ещё более ускорялась [4, 100].

Система КОСПАС-SARSAT в силу своей надёжности, эффективности действия, простоты устройства и дешевизны абонентской аппаратуры (радиобуев) до настоящего времени остаётся в эксплуатации.

К радионавигационным спутниковым системам относятся „Транзит“ и GPS (США), „Цикада“ и ГЛОНАСС (СССР/Россия) и Galileo (Европейский Союз). В настоящее время в эксплуатации находятся системы GPS и ГЛОНАСС, а система Galileo пока остается в стадии развертывания (первый спутник системы Giove-А был выведен на орбиту с космодрома Байконур 28 декабря 2005 года, ее полный коммерческий запуск был запланирован к концу 2008 года, а точность по некоторым данным должна была в 10 раз превысить точность позиционирования при помощи системы GPS). Все эти системы характеризуются глобальностью действия, высокой точностью навигационной информации и высокой оперативностью работы. Для обеспечения высокой надежности навигации эти системы являются совместимыми – интероперабельными. Поэтому радиотехнические характеристики сигналов и другие технические данные систем спутниковой навигации стандартизированы международными организациями гражданской авиации (ИКАО) и водного транспорта (ИМО). Тем не менее навигационная аппаратура пользователей (НАП) может быть как

154

односистемной, то есть расшифровывающей сигналы только одной из систем GPS или ГЛОНАСС, так и мультисистемной, одновременно принимающей и дешифрующей сигналы двух этих систем [66]. Что касается европейской системы Galileo, она, видимо, предполагает использование специальной аппаратуры. Кроме того, если пользование системами GPS и ГЛОНАСС для гражданских пользователей является бесплатным, то система Galileo предполагает платное использование после начала коммерческой эксплуатации путем продажи владельцам устройств так называемых PRN-кодов и отчислений от продажи каждого абонентского устройства. При этом создание системы Galileo, которая является совместным проектом Европейского космического агентства ЕSA и Еврокомиссии, основной своей целью ставит не получение прибыли (предполагается, что система так и останется убыточной и потребует дополнительного финансирования в течение первых 20 лет функционирования), а уменьшение зависимости Европейского Союза (ЕС) от американской системы GPS, находящейся фактически под управлением Пентагона. Решение о создании Galileo было принято ЕС в марте 2002 года, по самым скромным оценкам, стоимость полного разворачивания системы составит 3,6 миллиарда долларов, а ее штатная спутниковая группировка должна состоять из 38 спутников [68]. По сведениям некоторых источников, разработкой собственной системы глобального позиционирования исходя из сходных соображений занимается также Китай [68]. К лету 2009 года самой популярной из всех реально действующих спутниковых систем навигации является GPS. За 2008 год только в Европе было продано около 30 миллионов устройств с поддержкой GPS. По некоторым прогнозам, в 2010 году европейский рынок этих устройств вырастет до 80 миллионов единиц, а всего в мире будет функционировать около 450 миллионов GPS-устройств.

В то же время наряду с применением спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС международные организации ИКАО и ИМО приняли решение о сохранении наземных систем радионавигации LOran/„Тропик“, DMЕ, ПРС/АРК в качестве дублеров спутниковых систем на достаточно длительную перспективу. Это связано с высокими требованиями к надежности средств навигации и возникновением в последнее время угрозы подавления спутниковых систем преднамеренными радиопомехами со стороны различных террористических группировок [66].

Поговорим подробнее о двух действующих в настоящее время спутниковых навигационных системах – GPS и ГЛОНАСС.

История создания системы GPS (Global Positioning System, Глобальная система позиционирования [31]) начинается в 1973 году. Дело в том, что в этот период Пентагон перестала устраивать точность и оперативность действия развернутой радионавигационной системы, состоящей из наземных систем LOran-С и Omega в комплексе со спутниковой системой Transit. Была создана новая спутниковая система, названная NAVSTAR GPS

155

(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System, измерение времени и дальности по навигационному спутнику [67], другой вариант расшифровки Navigation System with Time and Ranging, навигационная система с измерением времени и дальности [68]). Эта система впервые смогла определять координаты объекта с точностью до нескольких метров в любой точке земного шара [67]. Есть сведения, что в первую очередь новая система предназначалась для точного наведения на цель крылатых ракет.

На орбиту выводилось несколько поколений спутников GPS. Спутники первого поколения Block I запускались в период с 1978 по 1985 годы (ни один из них в настоящее время уже не работает). На смену им пришли спутники Block II и Block II А, далее появились Block II r и Block II F (самое последнее поколение). В настоящее время группировка состоит из спутников Block II, Block II А, Block II r и Block II F [69].

При первых запусках спутников GPS использовалась ракета-носитель Delta II, более крупные спутники Block II F выводились на орбиту ракетой-носителем ЕЕLV [69].

Хотя первые спутники, входящие в систему GPS, были выведены на орбиту во второй половине 70-х годов 20 века, только в 1994 году была сформирована полная группировка из 24 спутников и система позиционирования стала по-настоящему глобальной. С 1995 года началось коммерческое использование системы, тогда же и появилась общепринятая сейчас аббревиатура GPS [68, 69].

Космический сегмент системы GPS состоит примерно из 30 спутников NAVSTAR (иногда обозначаемых сокращением SV – Space Vehicle). Точное количество спутников периодически изменяется, обычно от 27 до 30. Из этого количества 24 спутника являются активными, а остальные содержатся в резерве на случай возникновения проблем. Причем резервные спутники позиционируются таким образом, чтобы их можно было быстро перевести на нужную орбиту. Расчетный срок жизни спутника составляет 8 лет, хотя некоторые спутники отработали на орбите по 10 и более лет [69].

Спутники системы GPS являются собственностью Министерства обороны США и находятся под управлением 50-го космического соединения, расположенного на авиабазе Шривер в штате Колорадо. Управляющий сегмент системы тоже является собственностью Министерства обороны США, он образуется из всемирной сети станций наблюдения, наземных антенн и главной станции управления. Всего существует 5 станций управления системой GPS (на Гавайских островах, на Кваджалейне – атолле в Маршалловых островах на Тихом океане, на острове Вознесения в южной части Атлантического океана, на острове Диего-Гарсиа в Индийском океане и в Колорадо Спрингс в штате Колорадо) и 3 наземные антенны (на атолле Кваджалейн, островах Вознесения и Диего-Гарсиа). Главная станция управления системой находится на авиабазе Шривер.

156

Пользовательский сегмент системы GPS представлен GPS-приемниками различного назначения и конфигурации, которые условно можно разделить на несколько категорий:

Спутники системы GPS передают два типа сигналов: SPS (Standard Positioning System) и PPS (Precise Positioning System). SPS – служба позиционирования и определения времени, доступная всем пользователям GPS во всем мире без прямой оплаты услуг. Сервис SPS предоставляется на одной из частот, называемой L1. В нее входят код С/А и сообщения с навигационными данными. PPS – высокочастотная служба позиционирования, определения скорости и времени, которая ориентирована на военное применение. PPS доступна по всему миру для пользователей, получивших разрешение от правительства США, она обеспечивает высокую предсказуемую точность позиционирования с разрешением не менее 22 м (95%) по горизонтали и 27,7 м по вертикали, с точностью определения времени до 200 нс (95%). Данные PPS передаются по двум частотам GPS L1 и L2. Сервис PPS разрабатывался прежде всего для Вооруженных Сил США, доступ к нему контролируется особым шифрованием сигнала. Для защиты от ложной передачи спутниковых данных P-код дополнительно шифруется в Y-код, эта мера активизируется периодически по мере надобности [69].

Говоря о точности системы GPS, совершим небольшой экскурс в ее историю. Первоначально система была развернута для использования исключительно в военных целях, однако в 1983 году Президент США официально заявил, что отныне GPS доступна каждому. Этим воспользовались производители электронной аппаратуры, которые выпустили на свободный рынок первые коммерческие модели GPS-приемников. Но система GPS первоначально стала доступна в режиме ограниченного доступа: в гражданский сигнал вносилась намеренная ошибка и точность позиционирования не превышала 100 м. Такие результаты были вполне достижимы при навигации традиционными средствами, поэтому GPS зачастую рассматривалась в качестве дополнительного, „аварийного“ средства. В середине 80-х годов 20 века это искусственное ограничение было сокращено до 30 м. Впервые режим ограниченного доступа был отключен в 1991 году во время войны в Персидском заливе. В армии США не хватало военных GPS-приемников и ошибку отключили, чтобы для навигации в пустыне можно было использовать гражданские модели. Окончательно режим ограниченного доступа к системе GPS был отключен в 2000 году:

157

Президент США Клинтон подписал приказ о его отключении 1 мая 2000 года. В результате точность позиционирования с помощью гражданских приборов увеличилась с 30 м до 10 м, что значительно превосходит точность позиционирования традиционными средствами навигации. Пришло время общедоступных GPS-технологий [67, 69].

Все доступные на свободном рынке GPS-прёмники можно разделить на несколько основных типов: внешние модули, внутренние модули, портативные и автомобильные навигаторы. Внешние модули подключаются к основному устройству (портативному компьютеру, КПК, коммуникатору, смартфону), который обеспечивает навигацию и программную обработку GPS-сигнала. Интерфейс подключения внешнего модуля может быть различным: проводной (USB), механический (модуль выполняется в виде карты памяти стандарта Compact Flash или PC card различных форм-факторов) или беспроводной (Bluetooth). В автономном режиме внешние модули не работают. Внутренние модули встраиваются как в различную портативную аппаратуру с компьютерной архитектурой (в те же портативные компьютеры, КПК, коммуникаторы, смартфоны), так и в специализированные навигационные устройства, устанавливаемые на транспорте (например, в стационарную навигационную систему судна, самолёта или автомобиля, противоугонную автомобильную систему и т. д.). Портативные (hand-held) навигаторы – автономные устройства с компактными размерами, небольшим весом и встроенными элементами питания, они предназначены для использования пешими туристами, путешественниками и т. д. Автомобильные навигаторы оборудуются крупными экранами хорошего качества, часто имеют возможность получения питания только от бортовой сети автомобиля, часто комплектуются специальными держателями, а иногда даже снабжаются внешними антеннами [98 и др.].

В зависимости от принадлежности к тому или иному типу GPS-прёмник может работать в различных режимах. Это может быть позиционирование – определение текущих координат (все типы приёмников, которые могут сами или в связке с другими устройствами отображать текущую информацию), навигация при помощи карт, работа в режиме логгера или трэкера. Логгер – специальное портативное устройство или любой портативный GPS-прёмник, в котором реализована эта функция. В процессе работы логгера данные о местонахождении записываются в специальный файл, который потом может быть прочитан на компьютере или с помощью собственного интерфейса. Установив такое устройство в машине или имея его при себе, впоследствии можно установить маршрут движения объекта. Трэкер выполняет те же функции слежения, что и логгер, но данные с него передаются в режиме реального времени. Такие устройства используются для контроля грузоперевозок, в качестве компонента автомобильных противоугонных систем и в других подобных случаях. Чаще всего трэкер реализуется

158

аппаратно на основе внутреннего модуля, который встраивается в соответствующую систему навигации или противоугонную систему [98 и др.].

В СССР (а впоследствии – и в России) для решения задач по обеспечению обороноспособности страны и повышения эффективности и безопасности использования транспортных систем, а также для повышения эффективности геодезического обеспечения была создана и в настоящее время продолжает эксплуатироваться собственная спутниковая навигационная система – ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Сразу оговоримся: в доступных русскоязычных источниках о системе ГЛОНАСС содержится гораздо меньше сведений, чем о системе GPS.

Система ГЛОНАСС была разработана НПО ПМ (Научно-производственным объединением Прикладной механики, г. Красноярск), главным конструктором системы был академик Михаил Федорович Решетнев (в настоящее время НПО ПМ носит его имя). В создании системы принимало участие большое количество ведущих НИИ и ОКБ ракетно-космических и радиоэлектронных отраслей, радиотехнический комплекс ГЛОНАСС спроектирован в московском РНИИКП [66]. Первоначально система использовалась исключительно в военных целях, в 1999 году ГЛОНАСС была определена как система двойного назначения и к ней был разрешен доступ гражданских пользователей. С другой стороны, гражданское использование системы ГЛОНАСС до сегодняшнего дня сильно сдерживается относительно малым количеством совместимых устройств, находящихся в эксплуатации. Темпы выпуска подобных устройств гражданского назначения тоже находятся на низком уровне, они не идут ни в какое сравнение с темпами производства GPS-совместимых устройств. Тем не менее, в ряде отраслей навигация посредством системы ГЛОНАСС успешно используется.

В целом, применение систем спутниковой навигации может быть самым неожиданным. Так, есть сведения, что систему ГЛОНАСС в России предполагается использовать для контроля за некоторыми категориями осуждённых, а также за людьми, находящимися под домашним арестом. Для решения этой задачи были разработаны специальные электронные браслеты, оборудованные приёмником ГЛОНАСС и средствами связи с центральным пультом. Первая партия таких браслетов поступила в Россию в октябре 2008 года, для полного внедрения системы слежения по прогнозам специалистов может потребоваться несколько лет [101]. В настоящее время подобные системы на основе GPS достаточно широко используются в США и Западной Европе.

Разработка системы ГЛОНАСС началась в 1977 году. Первые навигационные космические аппараты (НКА) ГЛОНАСС были выведены на орбиту 12 октября 1982 года, к концу 1991 года система состояла из 12

159

активных спутников. В 1995 году орбитальная группировка ГЛОНАСС была доведена до штатного состава (24 спутника) и сдана в эксплуатацию. В следующее десятилетие из-за экономических трудностей число аппаратов в космосе непрерывно сокращалось и по состоянию на середину 2005 года в системе остались только 12 активных спутников. Такое их количество накладывает большие ограничения на использование системы, перерывы в навигационном обеспечении достигают трех – четырех часов, поэтому в 2002 – 2006 годах Правительством России были приняты постановления, предусматривающие доведение спутниковой группировки ГЛОНАСС до штатной в 2008 году. Предусмотрен также постепенный переход системы на новые модернизированные спутники ГЛОНАСС-М с расчетным сроком жизни на орбите до 7 лет. Первый спутник ГЛОНАСС-М был выведен на околоземную орбиту в 2003 году [66].

Сборка из трех спутников системы выводится на рабочую орбиту в одну из трех плоскостей российской ракетой-носителем „Протон-К“ со специальным разгонным блоком РБ 11С861. Далее на рабочей орбите производится разделение сборки на отдельные спутники, которые перемещаются вдоль орбиты в штатные точки размещения.

Наземный сегмент ГЛОНАСС включает в себя систему выведения космических аппаратов, наземный комплекс управления космическими аппаратами, систему эксплуатационного мониторинга состояния ГЛОНАСС и индивидуальную аппаратуру пользователей. Наземный комплекс управления решает задачи синхронизации бортовых хранителей времени спутников, их привязку к международной системе единого времени ИТС, производит точное измерение параметров орбит и передачу их на борт спутников, осуществляет телеметрический контроль состояния спутников и передачу на их борт команд управления. Наземный комплекс управления и мониторинга включает в себя большое количество объектов, размещенных по всей территории России и в ряде соседних государств. Эти объекты соединяются между собой и с Центром управления ГЛОНАСС разветвленной системой передачи данных [66].

При навигации на частоте L1 погрешность позиционирования в системе ГЛОНАСС с уровнем вероятности 95% составляет в горизонтальной плоскости около 30 м и в вертикальной плоскости около 60 м. При полном переходе на спутники ГЛОНАСС-М с одновременным использованием частот L1 и L2 эта точность повысится до 10 м и 20 м соответственно [66].

Рассмотрим теперь в самых общих чертах основные принципы работы систем спутниковой навигации на примере двух действующих в наше время систем – GPS и ГЛОНАСС.

Обе системы имеют одинаковое назначение, схожую структуру (24 активных спутника на круговых орбитах гарантируют, что в произвольной точке Земли в любой момент времени будут видны минимум 4 и максимум 12 спутников) и работают в L-диапазоне частот при высоте спутников от

160

поверхности Земли 20180 км (система GPS) и 19100 км (система ГЛОНАСС). Иными словами, и GPS и ГЛОНАСС (как и Galileo) можно отнести к средневысотным спутниковым группировкам МЕО. Основным их различием являются методы разделения сигналов спутников: в ГЛОНАСС – частотно-пространственное, а в GPS – кодовое. В ГЛОНАСС два взаимноантиподных спутника работают на одной частоте, в результате чего используются 12 частот. В GPS используется только одна частота на все 24 активных спутника [31].

Главная особенность спутников обеих систем – сверхвысокая стабильность частоты их сигналов или, иными словами, сверхнизкая относительная нестабильность частоты (порядка 10-13). Это на семь порядков меньше относительной нестабильности частоты кварцевых автогенераторов, используемых в обычных радиостанциях. Такой сверхвысокой стабильности частоты едва хватает для определения с точностью до метров местоположения объекта и параметров его движения, а также для решения различных геодезических задач. Кроме того, сигналы спутниковых навигационных систем используются для тактовой сетевой синхронизации (ТСС) в цифровых системах связи (в частности, железнодорожной) и других цифровых системах в качестве сигналов первичного эталонного генератора (ПЭГ) [31].

Сверхвысокая стабильность частоты этих сигналов достигается за счет установки на борту навигационных спутников квантовых эталонов (стандартов) частоты, или атомных часов. Каждый спутник ГЛОНАСС и GPS имеет на борту цезиевый атомный стандарт частоты (АСЧ). Так, на борту спутника GPS установлено четыре АСЧ (по системе ГЛОНАСС сведений о количестве АСЧ на борту нет). Сигнал АСЧ используется для формирования бортовой шкалы времени (БШВ) и навигационных радиосигналов. У системы ГЛОНАСС частоты этих сигналов составляют 1602 – 1615 MHz (L1) и 1246 – 1256 MHz (L2), в дальнейшем планируется модификация спутников ГЛОНАСС-К, которая будет излучать гражданский сигнал также в диапазоне 1190 – 1212 MHz (L3). В системе GPS используются частоты 1575,4 MHz (L1) и 1227,6 MHz (L2). Они формируются путем снижения частоты АСЧ без потери их стабильности [31, 66].

Навигационный L1 радиосигнал – двухкомпонентный. На заданной несущей частоте радиопередатчиком формируется два одинаковых по мощности шумоподобных сигнала (ШПС), манипулированных по фазе на 1800 и сдвинутых между собой на ±900: узкополосный (стандартной точности, СТ) и широкополосный (высокой точности, ВТ).

Информация навигационного сообщения узкополосного навигационного радиосигнала формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. 15 строк составляют кадр (30 с), а 5 кадров – суперкадр (2,5 мин). В составе каждого кадра передается полный объем

161

оперативной цифровой информации (ЦИ) и часть альманаха системы. Полный альманах системы передается в пределах суперкадра. Помимо навигационной информации каждая строка содержит ряд проверочных символов кода Хемминга, позволяющих исправить одиночный ошибочный символ и обнаружить 2 ошибочных символа в строке [31].

Оперативная цифровая информация (ЦИ) в кадре относится к спутнику, излучающему навигационный сигнал, и содержит признаки достоверности ЦИ в кадре, время начала кадра tк, эфемеридную информацию (ЭИ) – координаты и производные координат спутника в прямоугольной геоцентрической системе координат на момент времени t0, частотно-временные поправки (ЧВП) на момент времени t0, и время t0, которое кратно 30 мин от начала суток.

Эфемериды – это данные об исправности спутника и параметры его орбиты, а также поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для санкционированных пользователей.

Альманах системы – это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе, которые хранятся в памяти приемника. Альманах системы содержит время, к которому он относится, параметры орбиты, номер пары несущих частот, поправку к бортовой шкале времени для каждого спутника и поправку к шкале времени (ШВ) системы относительно ШВ страны (< 1 мкс). Альманах системы необходим в навигационной аппаратуре потребителя (НАП) для планирования сеанса навигации и приема навигационных радиосигналов в системе. Оперативная цифровая информация необходима для внесения частотно-временных поправок в результаты измерений, а эфемеридная информация используется при определении координат и вектора скорости искомого объекта. В конце каждого двухсекундного интервала времени (в конце четных секунд) передается метка времени (МВ), которая имеет длительность 0,3 с [31].

Широкополосные радионавигационные сигналы в системе ГЛОНАСС предназначены для санкционированного использования, а узкополосный сигнал является открытым и предназначен для гражданских пользователей. При этом параметры гражданского сигнала никогда намеренно не искажались. В системе GPS осуществляется кодовое разделение гражданского и военного сигналов.

Координаты земного объекта в обоих системах определяются по расстоянию до спутников согласно следующему принципу. Если расстояние от объекта до спутника равно R1, то это означает, что объект находится где-то на воображаемой сфере с радиусом R1 и центром, совпадающим с этим спутником. Если при этом известно также расстояние R2 до второго спутника, то аналогично можно построить вторую воображаемую сферу с радиусом R2 и центром на втором спутнике. Искомый объект будет находится где-то на окружности, являющейся линией пересечения двух сфер

162

с радиусами R1 и R2. И, наконец, зная расстояние до третьего спутника, можно аналогично построить третью сферу с радиусом R3, которая пересечет названную окружность в двух точках. Одна их этих точек будет находится где-то далеко в космосе, а другая – на Земле, она с большей или меньшей точностью будет совпадать с искомым объектом и, соответственно, будет определять его текущие координаты. Таким образом, трех спутников оказывается достаточно для определения двумерной координаты объекта. Для вычисления трехмерной координаты объекта (актуально для летательных аппаратов) необходимо задействовать дальности до четырех спутников [31, 66].

Расстояние до спутника определяется путем умножения скорости света с = 3·108 м/с на время прохождения сигнала от спутника до навигационного приемника пользователя. Для измерения этого времени на спутнике и в наземном приемнике одновременно генерируется одинаковый псевдослучайный код. Приемник измеряет задержку времени Т между одинаковыми участками принятого со спутника кода и кода, сгенерированного им самим. Вычисленная дальность R = с·Т напрямую зависит от точности одновременного генерирования кода на спутнике и в земном приемнике, т. е., фактически от точного хода их часов. Именно поэтому на спутниках устанавливают несколько атомных часов, имеющих точность около одной наносекунды (10-9 с). Устанавливать такие часы в каждом приемнике слишком дорого, поэтому вместо атомных часов используют измерение дальности до четвертого спутника для устранения ошибки хода часов. При низкой точности хода земных часов неточными будут и дальности до спутников (так называемые псевдодальности). Четыре сферы, построенные по четырем псевдодальностям, не пересекутся в одной точке. Для обеспечения их пересечения в одной точке компьютер прибавляет ко всем дальностям или вычитает из них некоторый одинаковый интервал времени до тех пор, пока не найдет решения, при котором все четыре сферы пересекутся в одной точке. Так определяется точная дальность с помощью четвертого спутника методом последовательных приближений (методом итерации), и вот почему необходимо, чтобы в зоне видимости приемника находилось как минимум четыре навигационных спутника. Исключением из этого правила является случай определения координат поезда на железной дороге. В данном случае достаточно измерить дальность до двух спутников и иметь в своем распоряжении карту железнодорожного пути, поскольку этот путь имеет линейную топологию [31].

Кроме того, имеется несколько причин неизбежных погрешностей определения параметров движущегося объекта. Самой существенной из них является задержка радиосигнала в ионосфере и тропосфере. Влияние задержки непостоянно и зависит от солнечной активности и погодных условий. Для минимизации этой ошибки используют два колебания разных несущих частот L1 и L2-диапазонов. По разности задержек двух

163

радиосигналов нетрудно определить величину замедления скорости света в атмосфере. Для минимизации погрешности измерений спутники запущены на высоту, где их движение максимально стабильно и прогнозируемо.

Одновременное обеспечение требований по измерению координаты и скорости движения объекта при простой (гармонической) структуре сигнала невозможно, поэтому в спутниковой навигации используются сложные сигналы – псевдослучайные последовательности. Для этого фаза высокого колебания модулируется навигационным кодом, который содержит дальномерный код и код двоичной информации. Такой принцип формирования сигнала позволяет по измерению доплеровского сдвига несущей частоты определять скорости, а по задержке элементов дальномерного кода – дальность до спутника. При этом служебный код несет всю вспомогательную информацию (эфемериды спутников, альманах системы и др.), необходимую для обеспечения работы навигационного приемника [31].

Качество навигационной информации (точность, надежность или непрерывность), которые получаются при непосредственном использовании спутниковых систем, удовлетворяют не всех пользователей. Например, на транспорте может потребоваться точность до 1 – 2 м, а иногда и до 0,5 – 1 м. В таком случае задействуют функциональные дополнения спутниковых систем навигации – совокупность программно-аппаратных средств наземного и космического базирования, которые формируют и передают потребителю дополнительную информацию для повышения качества решения задач навигационного обеспечения. Передача дополнительной информации потребителю осуществляется по специальным каналам связи и поступает в его навигационную аппаратуру, такую систему навигации называют дифференциальной. В тех случаях, когда корректирующая информация поступает через наземные радиолинии, дифференциальная система называется локальной и ее зона действия обычно не превышает радиуса 150 км. Если корректирующая информация передается через геостационарные спутники, такая дифференциальная система называется космической широкозонной системой навигации, она имеет радиус действия 300 – 500 км. В настоящее время в мире эксплуатируются три такие широкозонные системы – американская WААS над территорией Северной Америки, европейская ЕGNОS над Европой, Северной Африкой и значительной частью Атлантического океана и японская МSАS над Восточной Азией и Тихим океаном. Российская Федерация планирует в ближайшие годы развернуть над своей территорией такую систему, совместимую с ее иностранными аналогами [66].

В качестве примера реализации дифференциальной системы навигации можно привести систему А-GPS, активно внедряемую компанией Nokia в свои самые передовые смартфоны. А-GPS – это фактически одна из опций встроенного в смартфон или мобильный телефон GPS-приёмника, которая

164

позволяет при наличии активной SIM-карты в устройстве посредством GPRS/EDGE-подключения уточнять район нахождения мобильного терминала. Такое уточнение достигается благодаря получению информации о местоположении от базовых станций оператора мобильной связи и сильно ускоряет „холодный старт“ GPS-приёмника. С другой стороны, работа GPS-приёмника в режиме А-GPS требует расходования дополнительных средств на подключение к сотовой сети (в режиме передачи данных), в то время как классическое GPS-позиционирование полностью бесплатно во всём мире. Режим А-GPS недоступен на автономных GPS-приёмниках, он может быть реализован только у приёмников, встроенных в терминалы мобильной связи и при необходимости отключается пользователем.

К слову, в смартфонах и коммуникаторах, оснащённых встроенными GPS-модулями или рассчитанных на подключение внешних приёмников, помимо позиционирования и навигации зачастую реализуется ещё одна интересная функция – geo-tagging или добавление к фотографиям в процессе съёмки цифровых меток с указанием текущих координат места, где эта съёмка производилась. Первоначально функцию geo-tagging начал поддерживать ряд Sumbian-смартфонов компании Nokia в 2007 году. Существует мнение, что эта функция позволит камерафонам (мобильным телефонам со встроенной фотокамерой) в какой-то мере превзойти обычные цифровые фотоаппараты [99]. С другой стороны, вполне возможно, что на определённом этапе будет выпущен фотоаппарат, оснащённый GPS-модулем и поддерживающий данную функцию.

Завершая эту главу, хочется отметить следующее. Проекты создания спутниковых систем навигации оказались полностью успешными (правда в значительной мере благодаря тому, что они с самого начала не были коммерческими и финансировались государственными организациями, а также в техническом плане значительно превосходили наземные средства радионавигации). С другой стороны, целый ряд успешно реализованных с технической точки зрения спутниковых систем связи потерпел финансовый крах, а некоторые из проектов и вовсе не были реализованы. Дело в том, что любые спутниковые системы в наше время остаются пока достаточно дорогими и в случае со спутниковой связью не всегда могут на равных конкурировать с наземными сетями связи. На заре развития таких систем бытовало мнение, что спутниковые системы связи являются следующим шагом развития сотовых (территориальных) систем. Жизнь наглядно показала, что это утверждение неверно, подобные системы еще долго не смогут конкурировать друг с другом по стоимости предоставления услуг, а роль спутниковой связи в основном должна сводиться к обеспечению связи в открытом океане, в отдаленных местах на суше, а также в любой точке Земного шара в случае разрушения наземной инфраструктуры связи (катастрофы, стихийные бедствия, теракты и т. д.). Исходя из этой специфической задачи спутниковые системы связи сегодня должны хотя бы

165

частично поддерживаться в финансовом отношении государственными институтами. Время полностью коммерческой спутниковой связи, как впрочем и спутниковой навигации, видимо, пока еще не пришло.

166