Определение точного местонахождения того или иного объекта всегда имело для человека огромное значение. Возможность определения своего положения на местности актуальна для различных направлений деятельности: ею пользуются путешественники (туристы, охотники, рыболовы), компании-перевозчики для отслеживания грузовиков во время международных рейсов, банки для обеспечения безопасности инкассаторских машин, правоохранительные органы для поиска автомобилей. Но самое главное значение система позиционирования имеет в военной области. Поэтому не случайно, что первым заказчиком разработки подобной системы стали Вооружённые Силы армии США.
Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, Глобальная система позиционирования или сокращённо GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Но точность была уменьшена специальным алгоритмом. Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки, и в 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США.
Сегодня в мире существует американская система NAVSTAR GPS, российская ГЛОНАСС и разрабатываемая европейским союзом система GALILEO. Вначале рассмотрим появившуюся первой в мире систему глобального позиционирования NAVSTAR GPS.
NAVSTAR GPS (NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System) - спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.
Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.
Космический сегмент - основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц, последние модели также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование. Военное применение (точность выше на порядок) обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиции и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 шт к Сентябрю 2007 года). Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено 37.
Наземные станции контроля космического сегмента - слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever, штат Колорадо, США и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректировочные данные в виде радиосигналов с частотой 2000—4000 МГц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.
Пользовательский сегмент – GPS приёмник: радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR. Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции - до 1 мм (обычно 5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем WAAS/EGNOS/MSAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные поправок.
Оборудование условно делится на пользовательское и профессиональное. Профессиональное отличается качеством изготовления компонент (особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы системами навигации и, разумеется, ценой. Существуют GPS-моноблоки, имеющие собственный процессор для необходимых расчётов, а также дисплей для отображения информации, и GPS-приставки к КПК и ноутбукам.
Выше была рассмотрена американская система позиционирования на местности Navstar. Однако, рассмотренная система, не является единственной в мире. Существует ещё две системы - российская система спутниковой навигации ГЛОНАСС и европейская система GALILEO. Сначала несколько слов о российской системе:
Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем:
• подсистемы космических аппаратов (ПКА);
• подсистемы контроля и управления (ПКУ);
• навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в плоскостях положение спутников сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.
Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.
Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени. Ниже показана фотография навигатора, предназначенного для российской системы:
Принцип определения позиции аналогичен американской системе NAVSTAR. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. 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 ( ВТ ) 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 приемников ГЛОНАСС, возможность определения:
• горизонтальных координат;
• вертикальных координат;
• составляющих вектора скорости;
• точного времени.
Точности определения можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.
Одновременно с проведением измерений в приемнике 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 приемника, 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 (UTC).
Полная группировка спутников в соответствии с федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» должна быть быть развернута к концу 2010 года. Эта программа выполнена, 3 сентября 2010 г. была запущена ракета-носитель "Протон-М" с тремя спутниками системы глобального позиционирования ГЛОНАСС, в результате чего общая численность группировки спутников доведена до 26 аппаратов. Спутники «ГЛОНАСС-М» в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года.
GALILEO - европейский проект спутниковой системы навигации. Европейская система 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 взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Так как финансирование проекта будет осуществляться в том числе за счёт продажи лицензий производителям приёмников, следует так же ожидать, что цена на последние будет несколько выше сегодняшних.
Помимо стран европейского сообщества достигнуты договорённости на участие в проекте с государствами - Китай, Израиль, Южная Корея, Украина и Россия. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что Галилео войдёт в строй в 2013, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей "Союз" для запуска спутников начиная с 2010 года. Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.
В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система GALILEO не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями. Разработку осуществляет ЕКА (европейское космическое агентство). Общие затраты на создание системы оцениваются в 3,8 млрд. евро.
Сообщение от 5 декабря 2010 г:
Запущенные сегодня навигационные спутники "Глонасс-М" не удалось вывести на расчетную орбиту. Причина - в нештатной ситуации, произошедшей во время выведения аппаратов на орбиту. По предварительным данным, спутники упали в Тихий океан.
Как сообщает пресс-служба Федерального космического агентства (Роскосмос), три космических аппарата "Глонасс-М", стартовавшие сегодня с космодрома Байконур на ракета-носителе "Протон-М", должны были быть выведены на околоземную орбиту. Планировалось, что с выводом спутников на орбиту будет завершено формирование российской глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, сигнал которой смогут принимать пользователи навигаторов по всему миру.
В настоящее время специалисты выясняют, что послужило причиной нештатной ситуации.
ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система - одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации GPS. С переходом на спутники "Глонасс-К" точность системы ГЛОНАСС станет сопоставимой с точностью системы GPS — единственной зарубежной развернутой навигационной системой.
Сообщение от 26 февраля 2011 г:
Космический аппарат нового поколения "ГЛОНАСС-К" успешно выведен на орбиту и взят на управление наземными средствами Космических войск РФ.
Как в сообщили Космических войсках России, старт и полет ракеты-носителя "Союз-2.1б" с разгонным блоком "Фрегат" и космическим аппаратом "ГЛОНАСС-К", а также отделение спутника прошли в штатном режиме. Сразу после отделения "ГЛОНАСС-К" от ракеты-носителя аппарат был взят на управление средствами главного испытательного центра испытаний и управления космическими средствами имени Титова.
В настоящее время с космическим аппаратом установлена и поддерживается устойчивая телеметрическая связь. Бортовые системы спутника функционируют нормально.
Запуск нового спутника системы ГЛОНАСС был осуществлен с космодрома Плесецк. Ракета-носитель "Союз-2.1б" с разгонным блоком "Фрегат" и космическим аппаратом "ГЛОНАСС-К" успешно стартовала сегодня утром.
Напомним, первоначально запуск ракеты-носителя был запланирован на 24 февраля. Однако он был перенесен на сутки по техническим причинам.
Предыдущий запуск ракеты-носителя "Протон-М" с космическими аппаратами "ГЛОНАСС-М" 5 декабря 2010 г. завершился выведением орбитального блока на нерасчетную орбиту и его падением в акваторию Тихого океана. Три спутника "ГЛОНАСС-М" оказались утрачены.
После инцидента президент Дмитрий Медведев снял с должностей вице-президента, главного конструктора по средствам выведения РКК "Энергия" Вячеслава Филина и заместителя руководителя Роскосмоса Виктора Ремишевского.
Еще один инцидент с неудачным запуском спутника Гео-ИК-2 произошел 1 февраля 2011 г. Спутник должен был возобновить космогеодезическую программу России, но в расчетное время не вышел на связь. Спустя некоторое время он был обнаружен на неправильной орбите с помощью специалистов из США.
