2.3.4. Глобальные навигационные спутниковые системы

Идея создания ГНСС родилась ещё в 50-е годы, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Группа американских учёных во главе с Ричардом Кершнером 4 октября 1957 года наблюдала сигнал, исходящий от первого спутника. Они обнаружили, что благодаря известному эффекту Доплера, частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. У них появились идеи использования этого явления:

• точно зная свои координаты на Земле, можно измерять положение спутника;

• (и наоборот) точно зная положение спутника, можно определять собственные координаты.

Но реализованы эти идеи были почти 20 лет спустя [11]. В настоящее время в мире существует четыре проекта ГНСС [13]:

• один действующий американский – GPS. GPS позволяет в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве на расстоянии до 100 тыс. км от поверхности Земли, определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США [11];

• один восстанавливаемый – российская ГЛОНАСС;

• два развертываемых – европейский Galileo и китайский Compass.

Каждая ГНСС включает в себя 3 сегмента:

• космический сегмент с группировкой среднеорбитальных навигационных космических аппаратов (КА) – спутников (главная часть);

• сегмент управления – наземный комплекс слежения и управления орбитальной группировкой КА;

• сегмент навигационной аппаратуры потребителей (самые разнообразные принимающие приборы для определения координат).

Важно учитывать и то, что начальные затраты на развертывание космического сегмента очень значительны (необходим точный расчет сил и средств, так как при неполном развертывании система не сможет быть использована по назначению) и спутники должны иметь достаточно большие сроки службы (сегодня у нас 3-7 лет, у американцев – 10, а надо не менее 15 лет), иначе существенно возрастают текущие расходы на поддержание штатного состава космического сегмента.

Для достижения глобальности навигационно-временного обеспечения в штатном составе космического сегмента четырех упомянутых проектов должно быть [13]:

• GPS – 24 спутника семейства NAVSTAR GPS (серии -2, -2A, -2R и -2RM) в шести плоскостях орбит высотой 20,2 тыс. км и наклонением 55°;

• ГЛОНАСС – 24 спутника серии ГЛОНАСС-М в трех плоскостях орбит высотой 19,1 тыс. км и наклонением 64,8°;

• Galileo – 30 спутников серии GALILEO в трех плоскостях орбит высотой 23,6 тыс. км и наклонением 56°;

• Compass – 51 спутник (в перспективе 66), в том числе 12 – серии COMPASS-M в шести плоскостях орбит высотой 20,2 тыс. км и наклонением 55° (в перспективе – до 27 спутников), 30 – серии COMPASS-MG в трех плоскостях орбит высотой 27,73 тыс. км и наклонением 56°, 9 – серии COMPASS-H в шести плоскостях орбит высотой 36 тыс. км и наклонением 50°.

Главная задача системы – определение местоположения путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами (спутников). Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала посылки от спутника к приемнику. Поэтому для определения трехмерных координат прибору нужно знать положение 3 спутников. На деле используются показания с 4 спутников – для устранения погрешности, вызванной разницей между часами спутника и приемника [14].

Необходимо подчеркнуть, что приемники GPS и ГЛОНАСС существенно различаются по их технической реализации. Приемники ГЛОНАСС используют более широкую полосу частот, чем GPS-устройства. В системе GPS применяется кодовое разделение каналов, благодаря чему все спутники излучают C/A-коды на общей несущей частоте 1575,42 МГц (L1). Частотное разделение каналов в ГЛОНАСС обуславливает излучение сигналов на разных несущих в диапазоне 1598,0625-1615,5 МГц (L1). Именно поэтому в GPS и ГЛОНАСС задействуются разные аппаратура формирования и алгоритмы обработки фазовых измерений [12].

GPS. Изначально GPS разрабатывалась как система двойного назначения – для военных и гражданских нужд. Установив, что точность определения местоположения не более 100 м вполне приемлема для подавляющего числа гражданских пользователей и введя так называемый режим избирательного доступа (Selective Availability, SA), когда в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70-100 м, военное ведомство США умышленно ухудшило исходную точность системы примерно в 2–2,5 раза. И эта «маленькая хитрость» позволила сразу же приступить к массовому производству гражданской навигационной аппаратуры потребителей (НАП). Успех не заставил себя ждать, когда более 80 крупных компаний в разных странах мира стали выпускать серийные навигационные устройства GPS [12]. К счастью, с 1 мая  2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3-10 м [15].

Показательно то, что еще в 1988 г. американцы доказали, что 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы. Сегодняшнее состояние GPS отражено в табл. 3.

Таблица 3

ГЛОНАСС. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в 3-х орбитальных плоскостях с наклонением 64,8°, и высотой 19100 км (рис. 1.5). Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120° по абсолютной долготе восходящего узла и имеют условные номера 1, 2 и 3, возрастающие по направлению вращения Земли. В каждой орбитальной плоскости должно быть по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°, причем спутники в соседних орбитальных плоскостях смещены на 15° по аргументу широты. Орбитальные плоскости показаны на рис. 1.6.

Орбитальная структура системы спутников построена так, что в каждой точке земной поверхности и околоземного пространства одновременно наблюдаются не менее 4 спутников. Их взаимное расположение обеспечивает необходимые точностные характеристики системы. Непрерывность навигационного поля системы ГЛОНАСС обеспечивается на высотах до 2000 км [16].

При доведении числа действующих спутников до 18, на территории России обеспечивается практически 100%-ная непрерывная навигация. На остальной части Земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов. Практически непрерывная навигация по всей территории Земного шара обеспечивается при полной орбитальной группировке из 24-х спутников [17].

Принципы работы. Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (СВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приёмников ГЛОНАСС, возможность определения:

• горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7%).

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Сигнал СВТ предназначен, в основном, для потребителей Министерства обороны России, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала СВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приёме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приёмник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.

Одновременно с проведением измерений в приёмнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приёмника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Универсального координированного времени (Universal Time Coordinated, UTC) [17].

В мае 2010 года число спутников было доведено до 23. Сегодняшнее состояние ГЛОНАСС отражено в табл. 4.

Таблица 4

Основные характеристики космической навигационной системы (КНС) ГЛОНАСС показаны на рис. 1.7 – 1.9 [18].

Рис.1.7. Зоны видимости КНС

Рис.1.8. Интегральная доступность навигации наземного потребителя по системе ГЛОНАСС

Рис.1.8 соответствуют следующие данные [18]:

• дата создания: 14.05.2010г.;

• текущий состав объединенной группировки (ОГ): 21 космический аппарат (КА) (номера спутников: 1-5, 7-11, 13-15, 17-24);

• доступность – 100%, максимамальный перерыв навигации по территории России – 0 час;

• вычисляется позиционный (трехмерный) геометрический фактор (PDOP);

• доступность рассчитывается на основе текущего альманаха для суточного интервала как процент времени, в течение которого выполняется условие: PDOP ≤ 6 при углах места КА ≥ 5°. Дискретность расчета: по времени – 4 минуты и по поверхности – 1°;

• участки различной доступности выделены 10 цветами и соответствуют приведенной шкале значений: черный – 0.0-0.15, коричневый – 0.15-0.25, красный – 0.25-0.5; магнета – 0.5-0.6; синий – 0.6-0.7; зеленый – 0.7-0.8; светло-зеленый – 0.8-0.92; бежевый – 0.92-0.95; желтый – 0.95-0.99; белый – 0.99-1.0 (на рис. 1.8 чем светлее участок, тем больше доступность).

Рис.1.9. Мгновенная доступность навигации системы ГЛОНАСС

На рис.1.9 отражено число видимых КА системы ГЛОНАСС на указанный текущий момент времени по земной поверхности при минимальном угле места 5° [18].

Европейский проект Galileo. ГНСС Galileo 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 взаимном дополнении с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. В отличие от GPS и ГЛОНАСС, система Galileo не контролируется никакими государственными или военными учреждениями [19].

Первый спутник системы Galileo был выведен с космодрома Байконур 28 декабря 2005 года на расчётную орбиту высотой более 23000 км с наклонением 56° Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина – 1,2 м, диаметр – 1,1 м. Срок активного существования составляет 12 лет [19]. ГНСС Galileo начнет работу только в 2010 году [14].

Совместный проект GPS-ГЛОНАСС. Главная задача совместного проекта – сделать две спутниковые системы, российскую ГЛОНАСС и американскую GPS, взаимодополняемыми и совместимыми, чтобы спутники обеих систем посылали на Землю сигналы одного вида. Это позволит сделать кадастровые и транспортные расчеты более точными, а навигационное оборудование более доступным.

Но следует учитывать и то, что при возникновении серьезной напряженности политической ситуации в мире США могут вообще постараться прекратить доступ к собственной GPS. Поэтому ГЛОНАСС по определению должна быть полнофункциональной и самодостаточной. Первые серьезные результаты совместного проекта планируется получить в 2013-2015 годах.

В настоящее время в России разрабатываются и производятся двухстандартные приемники ГЛОНАСС/GPS. Одним из крупнейших предприятий в этой области является Российский Институт Радионавигации и Времени, находящийся в Санкт-Петербурге [20].

Но двухсистемный приемник априори не может быть дешевле и компактнее аналогичного GPS-приемника. Дело в том, что около 40% в себестоимости приемника приходится на чип для вычисления навигационных данных, 25% — на радиотракт GPS (преобразование спутниковых сигналов) и еще 35% — на радиотракт ГЛОНАСС. По оценкам экспертов ГЛОНАСС увеличивает площадь и цену приемника примерно на треть [21]. Тем не менее, 22 августа 2007 года Московское конструкторское бюро «Компас» представило на авиасалоне «МАКС-2007» первый компактный российский спутниковый навигатор ГЛОНАСС/GPS.

Такая аппаратура позволяет не только повысить точность до 16 м (для гражданского применения), но и вычислить ошибку, внесенную режимом ограниченного доступа (SA). Для этого достаточно, чтобы в зоне радиовидимости потребителя находились хотя бы два спутника ГЛОНАСС [12].

Сама по себе точность навигационных определений в системе ГЛОНАСС выше, нежели в GPS, и составляет в годы максимальной солнечной активности 60 м для горизонтальных координат и 100 м для вертикальной, а в годы минимальной солнечной активности соответственно 30 и 50 м. Погрешности (с вероятностью 0,95) в GPS при максимальной солнечной активности не превышают 100 м для горизонтальных и 156 м — для вертикальной координаты.

При интеграции систем повышается их эффективность, поскольку, по сути, объединяются орбитальные группировки. Как известно, в ГЛОНАСС число орбитальных плоскостей в два раза меньше, чем в GPS, однако в каждой из них находится в два раза больше спутников. Наклонение орбитальных плоскостей ГЛОНАСС почти на 10° выше, чем в GPS. Это означает, что аппаратура потребителей может «видеть» КА ГЛОНАСС в таких точках орбиты (особенно на высоких широтах), где GPS-спутники просто недоступны.

Комбинированные приемники позволяют решить проблему GPS, вызываемую деградацией ОГ. Она возникает в тех случаях, когда число видимых КА резко снижается из-за сложного рельефа местности (при навигации подвижных объектов в крупных городах, в узких проливах, при нахождении автомашины на закрытой стоянке и др.). В многоканальных GPS-приемниках для компенсации этого эффекта предусмотрен режим так называемого «поиска в гараже»: если такое устройство не может захватить сигналы навигационных спутников, то стратегия поиска меняется (например, часть каналов переводится в режим «холодного старта»), благодаря чему сокращается время определения координат. Однако приемник GPS/ГЛОНАСС дает больший выигрыш во времени, чем аппаратура, в которой просто удваивается число приемных GPS-каналов.

Комбинированный приемник способен проводить мониторинг целостности и «отбрасывать» неисправные спутники, если их параметры существенно отличаются от ожидавшихся. В системе GPS возможности автономного мониторинга целостности ограничены: приемник либо продолжает использовать неисправный спутник, либо прекращает вычисления и переходит в режим ожидания других КА. В комбинированном режиме обеспечивается и более высокая помехоустойчивость: системы GPS и ГЛОНАСС работают в разных диапазонах частот, что снижает вероятность их одновременного подавления узкополосными помехами [12].

При совместном использовании различных ГНСС любая аппаратура потребителей будет иметь возможность не только выбирать лучшие четыре из 8 – 10 спутников системы GPS, но и привлекать спутники системы ГЛОНАСС, а с развертыванием системы Galileo – лучшие из 16 – 20 спутников систем GPS и Galileo и спутников системы ГЛОНАСС, тем самым повышая надежность навигационно-временных определений, особенно в сложных условиях (города, горная местность, фьорды и др.) [13].