logo
PITS-1-2010new2

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:

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

Каждая ГНСС включает в себя 3 сегмента:

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]:

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

Состояние

Орбита

Всего спутников

A

B

C

D

E

F

Теоретически

6

6

6

6

6

6

36

Реально

5

5

5

5

6

5

31

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.

Рис. 1.5. 24 спутника ГЛОНАСС

Рис. 1.6. Орбитальные плоскости

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:

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

Состояние

Орбита

Всего спутников

I

II

III

Теоретически

8

8

8

24

Реально

7

6

8 (+2 резерв)

21 (+2)

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]:

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].