Системы спутниковой навигации: GPS и не только

GPS’у — быть!

О спутниковых навигационных системах вообще и GPS в частности слышали все, пусть даже и урывочно. Однако представить себе весь спектр задач, которые может выполнять GPS, в состоянии даже не каждый специалист.

Запуск первого спутника навигационной спутниковой системы Galileo состоялся 28 декабря 2005 года на космодроме Байконур.

Традиционно спутниковая навигация была рассчитана исключительно на нужды военных, которые и занимались ее разработкой. Созданная ими система определения координат в режиме реального времени в любой, даже самой отдаленной точке земного шара, была призвана подчеркнуть, что успех современной войны зависит не от стратегии командования или мастерства военнослужащих всех мастей, а от владения максимально точной и актуальной информацией и умения ей распорядиться. Ведь гораздо проще, определив местонахождение очередного диктатора или экстремистского бандформирования, нанести одиночный ракетный удар прямиком в яблочко, нежели палить по целым районам и городам — как показал опыт Буша-младшего, это не очень хорошо сказывается на рейтингах.

Через несколько лет после появления GPS ее возможности стали доступны и обычным гражданским лицам. Самое привычное место, где сейчас можно увидеть GPS-устройство, это, безусловно, автомобиль. Причем в России это пока не настолько распространенное явление, как на Западе, — например, в недавно вышедшем в прокат фильме «Человек года» с Робином Уильямсом в главной роли именно GPS-приемник позволяет героине спасаться от преследующих ее «плохих парней». Не стоит забывать и о популярных нынче спутниковых сигнализациях, которые считаются наиболее современными и максимально действенными (правда это или нет — читайте в соответствующей статье в этом номере Mobi).

Конечно, автомобилем дело не ограничивается — все гораздо глобальнее. Спутниковые приемники используют в морской навигации для прокладывания курса, ими запасаются путешественники. GPS позволяет диспетчерам наземных служб следить за самолетами и корректировать их курс в зависимости от погодных условий и других обстоятельств. Большое значение имеет GPS и в экстремальных ситуациях — например, при проведении спасательных операций. А еще есть сейсмология и геодезия, которым тоже не обойтись без точных данных о расположении различных объектов. По спутниковым навигаторам легко ориентироваться незрячим людям — такое устройство может заменить собаку-поводыря, которых сейчас катастрофически не хватает.

Системы спутниковой навигации настолько быстро проникают в нашу жизнь, что, пожалуй, скоро совершенно вытеснят обыкновенные бумажные карты. Впрочем, ничего плохого в этом нет — гораздо удобнее загрузить в компактное устройство подробную электронную карту, в том числе и тематическую (например, карту усадеб писателей средней полосы России или лучших ресторанов японской кухни), нежели таскать с собой килограммовый том. Наверняка, скоро будут разработаны миниатюрные GPS-приемники, которые можно будет интегрировать в наручные часы или ошейники домашних животных, что позволит всегда быть в полном спокойствии за их безопасность.

Никуда от этого не денешься: GPS’у — быть! Поэтому стоит разобраться, как устроены спутниковые навигационные комплексы, в чем заключается суть процесса работы навигационных систем, чем отличается холодный старт от горячего (ведь не температурой же!) и какие разновидности навигационных систем существуют в мире.

Как стартует GPS

С понятиями альманаха и эфимериса тесно связаны «температурные» термины «горячий старт», «холодный старт» и «теплый старт» GPS-приемника.

При включении GPS-устройство получает со спутников данные альманаха и эфимериса, которые сохраняются в его памяти для дальнейшей работы. Если приемник был выключен более 30 минут (а именно столько составляет срок жизни данных эфимериса), он начинает заново искать спутники, ориентируясь по тем данным альманаха, которые он сохранил. Такой процесс поиска называется теплым стартом.

Если GPS-приемник был отключен менее 30 минут, то снова собирать данные эфимериса будет не нужно, т.к. они еще не утратили своей актуальности. Процесс поиска спутников занимает совсем немного времени, поэтому он называется горячим стартом.

Если GPS-приемник был выключен очень долгое время и при этом его перевезли на достаточно большое расстояние (например, с завода производителя на склад продавца), то данные альманаха, хранящиеся в памяти приемника, окажутся неверными. В этом случае устройству придется заново загрузить и альманах, и эфимерис каждого из спутников, что может занять довольно много времени. Такой процесс запуска называется холодным стартом.

Родом из Америки

Говоря о спутниковой системе навигации, в первую очередь, конечно, имеют в виду GPS. Собственно, для многих это вообще тождественные понятия, и об альтернативах американскому спутниковому комплексу знают считанные единицы.

Питание навигационных спутников осуществляется за счет солнечных батарей.

Оно и понятно — ведь GPS, т.е. Global Positioning System — это первая в мире и единственная на настоящий момент действующая система спутниковой навигации, по которой определить в пространстве свои координаты может каждый человек в любой точке земного шара.

Изначально эта система называлась NAVSTAR (от английского «Navigation Satellite Time and Ranging» — измерение дальности и времени по навигационному спутнику). Ее разработкой занималось Министерство обороны США, что одновременно считается как достоинством, так и недостатком системы.

С одной стороны, развиваясь под покровительством крупнейшего силового ведомства, спутниковая система получала огромные финансовые инвестиции (ежегодно в систему вкладывается около 400 миллионов долларов), на ее разработку были брошены лучшие ученые страны. Кроме того, хоть NAVSTAR и создавалась в интересах военных, изначально предполагалось активно использовать ее и в гражданских целях. Именно поэтому Министерство обороны США при поддержке правительства страны вкладывало огромные средства в разработку «общечеловеческих» устройств для приема спутникового сигнала, ожидая в дальнейшем получить с их продаж неплохие дивиденды (дальновидности американского правительства можно только позавидовать).

С другой стороны, в целях обеспечения государственной безопасности долгое время сигнал, передаваемый на гражданские приемники, искусственно «глушился», в него умышленно вносились помехи для неточной работы GPS-устройств. Это сильно тормозило развитие рынка спутниковых навигаторов, поскольку покупать устройство, способное ошибиться на 10, 100 или даже 1000 метров, гражданскому люду было неинтересно. Отмена в 2000 году этого принципа работы в большой степени способствовала популяризации технологии не только в Америке, но и далеко за ее пределами.

Винтики в системе GPS

Система спутниковой навигации GPS состоит из трех больших частей.

Низшим звеном можно назвать все GPS-устройства, которые принимают спутниковый сигнал и производят внутренние расчеты для определения своего положения.

Спутники размещаются на нескольких геостационарных орбитах для обеспечения уверенного приема радиосигнала в любой точке земного шара.

Устройства эти бывают совершенно разные — в зависимости от цели использования (на яхте, в автомобиле, в частном самолете), условий эксплуатации (кому-то пригодится навигатор в прочном или влагонепроницаемом корпусе, для кого-то важнее окажется его миниатюрность и небольшой вес) и других причин. Рассказывать подробно про каждый вид не будем — слишком много устройств представлено сейчас на рынке. Некоторые из них (безусловно, самые достойные) попадают на тестирование в редакцию Mobi.

Высшим звеном (в том числе и по расположению) является орбитальная группировка, т.е. необходимый для качественного приема сигнала в любой точке планеты набор спутников, расположенных вокруг Земли.

В систему GPS входят 24 работающих спутника и несколько резервных, расположенных на высоте около 20200 километров (18600 миль) над поверхностью Земли. Спутники движутся со скоростью около 11000 км/ч и дважды оборачиваются вокруг Земли за сутки. Питаются спутники за счет солнечных батарей, при этом каждый спутник оснащен резервным источником питания. Срок «жизни» каждого спутника — около 10 лет, по истечении этого времени их приходится заменять. Всего за время существования GPS на орбите побывали спутники 4 видов. Первые спутники относились к типу Block I и использовались для исследования принципов работы системы GPS. После окончания проверки они были постепенно заменены спутниками Block II и Block IIA. Следующее поколение спутников, Block IIR, отличалось большей устойчивостью к радиационному космическому излучению, а также большей независимостью от наземных станций слежения, что позволяло исправлять возникавшие в процессе эксплуатации ошибки непосредственно в полете. Четвертое, последнее поколение спутников Block IIF, будет основой системы GPS в дальнейшем. По сравнению с предыдущими спутниками они отличаются более долгим ресурсом работы (около 13 лет).

Третье и, пожалуй, наиважнейшее звено в системе GPS — это наземные управляющие станции, которые под руководством Министерства обороны США осуществляют постоянное слежение за спутниками и передают на них данные для корректировки орбит. Главная управляющая станция (Master Control Station, MCS) находится на базе ВВС Шривер в Колорадо. Специалисты станции осуществляют непрерывный мониторинг состояния спутников, один раз в сутки производится загрузка навигационных данных на спутники.

Ищу себя!

Каждый GPS-спутник передает несколько видов информации:

1. Эфимерис (ephemeris). Это данные о состоянии спутника (рабочее, нерабочее, аварийное и т.п.), текущая дата и точное время. Спутники передают свои эфимерисы каждые 30 секунд, причем актуальной переданная ими информация остается только 30 минут.

2. Альманах (almanac). Данные альманаха содержат информацию о точных координатах передающего спутника, а также о параметрах орбит всех остальных спутников. Эти данные не очень точны, они действительны в течение нескольких месяцев.

3. Псевдослучайный код (PRN, Pseudo Random Number code). Это собственно навигационный сигнал, который бывает двух типов — грубый (C/A-код, Coarse Acquisition code) и точный (Р-код, Precision code).

Представить себе все многообразие задач, которые могут выполняться с помощью систем спутниковой навигации, способен не каждый специалист.

Всю эту информацию спутники передают на двух радиочастотах — L1 и L2. L1 (1575,42 МГц) отвечает за передачу сигнала стандартной четкости на основе C/A-кода, его принимают гражданские приемники. Частота L2 (1227,6 МГц) предназначена для военных целей, поэтому по ней передается более точная информация; она модулируется только P-кодом.

Если попробовать объяснить более примитивно, то можно свести информацию, передаваемую каждым спутником, к следующему набору: «Спутник А сообщает, что он находится в месте В. Время передачи информации — С».

GPS-приемник, получив такую информацию со спутника, сравнивает два временных показателя — когда был послан сигнал (данные передаются в эфимерисе) и когда сигнал был получен (данные определяются внутренними часами приемника, причем за ориентир берется то время, когда приемник сгенерировал тот же псевдослучайный код, что и спутник). Зная, что сигнал идет на поверхность Земли со скоростью света, приемное устройство легко может вычислить, какое расстояние прошел сигнал, а следовательно, определить свою удаленность от спутника.

Однако, зная свою удаленность от спутника X, приемное устройство не сможет определить свое местоположение в пространстве, поскольку это может быть любая точка из бесконечного количества точек, расположенных на расстоянии Y от спутника. [1]

Поэтому GPS-устройству приходится принимать сигнал сразу с нескольких спутников. При этом двух спутников тоже недостаточно, поскольку при пересечении двух сфер мы получим окружность, в любой точке которой может находиться GPS-навигатор. [2]

1

2

Данные с трех спутников позволят выделить две точки пространства, в одной из которых может находиться приемное устройство. В принципе, для определения координат (чисто теоретически) этого достаточно, поскольку одна из точек всегда будет находиться либо нереально высоко над поверхностью Земли, либо очень глубоко под поверхностью. [3]

Однако на практике определить точное расположение GPS-навигатора можно только лишь по данным с четырех спутников, поскольку при этом устройство «находит» себя сразу в трех измерениях. [4]

3

4

Работа над ошибками

К сожалению, работа GPS выглядит простой только на бумаге — на практике все происходит несколько иначе. Казалось бы, откуда появиться ошибкам? Ведь спутник все передает верно, GPS-навигатор тоже явно не «двоечник», тогда почему периодически устройство определяет свое расположение на большом расстоянии от реального?

Разработкой и продвижением европейской спутниковой системы Galileo занимается ESA — Европейское космическое агентство.

Эта ошибка связана в первую очередь с точностью часов. Псевдослучайный код генерируется одновременно и передающим спутником, и GPS-приемником, поэтому очень важно, чтобы часы и в космосе и на Земле показывали одинаковое время. Только представьте, что расхождение шкал времени на одну сотую часть секунды способно привести к погрешности в измерении расстояния почти в 3000 км! Поэтому на всех спутниках устанавливаются очень точные атомные часы, которые способны определять время с точностью до 1 наносекунды.

Конечно, устанавливать такие «ходики» в обычном GPS-навигаторе очень накладно. Поэтому для устранения ошибок хода часов приемника используют данные третьего (на плоскости) и четвертого (трехмерное измерение) спутников. Если часы приемника идут неверно, при подсчете расстояния до трех или четырех спутников приемник может получить непересекающиеся сферы, что в принципе невозможно. Увидев эту ошибку, он начнет подстраивать свои внутренние часы таким образом, чтобы в итоге сферы пересеклись, и выявилась точка реального местонахождения GPS-навигатора в пространстве.

Еще одна проблема связана с прохождением спутникового сигнала через ионосферу и тропосферу Земли — здесь сигнал начинает двигаться не со скоростью света, а чуть медленнее. Соответственно, время, за которое сигнал со спутника попадает в приемное устройство, увеличивается, и, как следствие, приемник неверно вычисляет расстояние до спутников и свое местоположение.

Кроме того, задержка сигнала может быть вызвана многолучевой интерференцией — неоднократным отражением сигнала от высотных зданий или естественных рельефных возвышенностей. Такому сигналу тоже требуется большее время для достижения приемника.

Запуск спутника GPS-IIR-14 ракетой Delta 7925 на мысе Канаверал, США.

Большинство современных GPS-приемников используют разнообразные алгоритмы устранения этих ошибок и способны практически полностью их нивелировать.

Также для улучшения точности приема спутникового сигнала используются системы DGPS (D — от «Differential», дифференциальный). Эти системы используют дополнительные, зафиксированные в точке с известными координатами GPS-приемники, которые посылают уточняющую информацию на мобильные GPS-устройства, позволяя повысить точность измерения координат до 1 м или даже менее.

В настоящее время существует бесплатная, работающая в тестовом режиме европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), японская MSAS и полнофункциональные американские системы WAAS (Wide Area Augmentation System) и WADGPS (Wide Area Differential GPS). В основном главными пользователями этих систем являются не гражданские лица, а специалисты, которым бывает необходимо знать свои координаты с точностью до нескольких десятков сантиметров (например, в геодезии или морском деле).

При всем богатстве выбора...

... Другой альтернативы нет. Так утверждала телевизионная реклама какого-то научно-производственного объединения лет десять назад.

Ситуация с системами спутниковой навигации точно такая же: свой «ответ Чемберлену» — американской GPS — пытаются разработать в Европе, России и Китае, однако пока ничего конкретного о перспективах развития этих систем сказать нельзя.

Начнем с родного проекта — ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАциональная Спутниковая Система).

Ее начали разрабатывать в СССР в конце семидесятых годов прошлого века, т.е. одновременно с GPS, и уже в 1993 году система была сдана — Министерство обороны «отрапортовало» об успешном запуске проекта. В принципе, ничем, кроме некоторых технических характеристик (высота орбиты, количество орбитальных плоскостей и период обращения спутников) эти две системы не отличаются. Хотя нет, есть еще одно отличие — GPS работает, а ГЛОНАСС — нет.

По данным Центра управления системы «ГЛОНАСС» Министерства обороны (ЦУС), на середину декабря 2006 года российская навигационная система могла похвастаться состоянием, о котором можно сделать выводы, посмотрив таблицу «Спутники ГЛОНАСС».

Спутники ГЛОНАСС

№ спутника Дата запуска Дата ввода Состояние спутника Дата вывода 796 26.12.2004 06.02.2005 В системе   794 10.12.2003 02.02.2004 В системе   789 01.12.2001 04.01.2002 Выведен 23.11.2006 795 10.12.2003 30.01.2004 В системе   711 01.12.2001 15.04.2003 Выведен 08.07.2006 701 10.12.2003 09.12.2004 В системе   712 26.12.2004 22.12.2005 В системе   797 26.12.2004 06.02.2005 В системе   787 13.10.2000 04.11.2000 Выведен 12.09.2006 783 13.10.2000 05.01.2001 В системе   798 26.12.2005 22.01.2006 В системе   793 25.12.2002 31.01.2003 Выведен 22.09.2006 792 25.12.2002 31.01.2003 В системе   791 25.12.2002 10.02.2003 В системе   714 25.12.2005 31.08.2006 Выведен 08.12.2006 713 25.12.2005 31.08.2006 В системе  

При таком количестве рабочих спутников (11) ГЛОНАСС не может функционировать полноценно. По данным информационно-аналитического центра ЦУС, доступность спутниковой системы оставляет желать лучшего: на территории России она составляет 55,4%, на всей поверхности Земли — 40%. При этом время максимального перерыва в навигации может составлять от 6,73 часов (для РФ) до 12,73 часов (для всей поверхности планеты). Стоит ли говорить, что такое качество приема и его «постоянство» категорически не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к современным спутниковым навигационным системам?

Специалисты главной управляющей станции системы GPS на базе ВВС Шривер в Колорадо осуществляют непрерывный мониторинг состояния спутников.

Однако уже к концу этого года ситуация должна измениться — по заверениям ответственных министров, к декабрю 2007 года на своих орбитах «зависнет» 18 спутников, чего будет достаточно для определения координат на всей территории РФ и на большей части поверхности Земли. К 2009 году количество спутников в орбитальной группировке ГЛОНАСС должно увеличиться до 24 (плюс три резервных), что позволит уверенно принимать спутниковый сигнал в любой точке планеты.

Отличную от американской и российской спутниковых навигационных систем продвигает Европейское Космическое Агентство (European Space Agency, ).

Основное отличие системы, названной Galileo (ясное дело, в честь Галилео Галилея), заключается в изначально гражданской ее ориентации. Разработкой проекта занимались ученые из 17 европейских стран: Австрии, Бельгии, Дании, Финляндии, Франции, Германии, Греции, Ирландии, Италии, Люксембурга, Нидерландов, Норвегии, Португалии, Испании, Швеции, Швейцарии и Великобритании. Так что ни о каком преднамеренном ухудшении качества сигнала в данном случае речь идти не может — Galileo де-юро и де-факто не контролируют ни военные, ни правительственные структуры.

Первый спутник этой системы — Giove A — был запущен с космодрома Байконур 28 декабря 2005 года. Пока этот спутник работает в демонстрационном режиме, поэтому использовать его данные для навигации невозможно. Зато с его помощью ученые смогут исследовать радиационную обстановку на орбите, а также проверить навигационные технологии, которые впоследствии будут обеспечивать работоспособность спутниковой навигационной системы.

Планируется, что Galileo будет состоять из 30 спутников, 27 из которых будут передавать данные, а три будут вертеться на своих орбитах «на всякий пожарный случай», чтобы при выходе из строя одного из спутников не прекратила работать вся система.

С момента начала развертывания системы GPS в конце семидесятых годов было запущено около 50 спутников.

Достоинство системы Galileo заключается в том, что с самого начала она разрабатывалась уже с оглядкой на действующую систему GPS и развивающуюся российскую ГЛОНАСС. Т.е. сигналы спутников разных систем не будут конфликтовать — наоборот, после окончания полномасштабного развертывания всех систем пользователи во всем мире получат супергруппировку спутников, которая будет обеспечивать максимально качественный сигнал даже в самых неблагоприятных условиях — например, в плотной высотной городской застройке.

Свою независимую спутниковую навигационную систему с 1993 года развертывает и Китай. Проект Beidou (тамошнее название Большого Ковша — созвездия Большой Медведицы) стартовал 30 октября 2000 года — именно тогда на орбиту был выведен первый спутник Beidou 1A. Почти через месяц, 20 декабря, одиночество космического масштаба нарушил его собрат Beidou 1B. Третий спутник был выведен на орбиту только 24 мая 2003 года. Несколько позже Китай присоединился к европейской системе Galileo, вложив в развитие проекта около 300 миллионов долларов.

Уже эксплуатируемые спутники располагаются на одной геостационарной орбите, поэтому определять по ним свои координаты могли только жители Китая и прилегающих к нему областей. Однако недавно Китай анонсировал некоторые изменения своих планов. Так, планируется начать развертывание системы Beidou 2, в которую будет входить 35 спутников, расположенных на пяти геостационарных орбитах. Доступ к навигационной системе будет предоставлен не только военным, как заявлялось ранее, но и гражданским лицам. Китай обещает, что гражданский доступ будет обеспечивать определение координат с точностью до 10 м, сверять часы спутника и навигационного устройства с точностью в 50 нс и «чувствовать» движение даже со скоростью 0,2 м/с. Конечно же, военные смогут получать более точные данные. Кроме того, расширить зону своего влияния Китай обещает до территории всего мира.

Правда, все эти наполеоновские планы — пока еще дело отдаленного будущего. В начале 2007 года Китай планирует вывести на орбиту еще два новых спутника, последующие несколько лет будут посвящены развертыванию системы, экспериментальной ее эксплуатации и настройке. Поэтому говорить о том, что в ближайшие годы появится полноценный GPS-заменитель родом из Китая, не приходится — вряд ли система сможет начать работать в ближайшие 5-7 лет.

На диске

1. Библиотека обоев для рабочего стола по космической тематике и спутниковой системе Galileo.

2. Видеоролик о запуске первого спутника Galileo.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.