Какие существуют спутниковые навигационные системы и из чего они состоят

Зеркало МираНаука

Орбитальные группировки навигационных спутников

Зародившись из потребностей военных ведомств, спутниковая навигация сегодня плотно вошла в наш быт

Стас Борисов

Первые идеи навигации при помощи космических аппаратов высказывались еще во второй половине 1950-х. Американцы, слушая передачи первого советского спутника, заметили, что из-за эффекта Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении космического аппарата и уменьшается при отдалении. Используя это явление и зная собственные координаты на земле, можно определить положение и скорость спутника, и наоборот – зная положение спутника, можно вычислить свою скорость и координаты.

Первые специализированные космические навигационные системы создавались в 1960-х годах в интересах военно-морских сил США и СССР. С тех пор собственная спутниковая навигация стала признаком государственного суверенитета, а также символом технологической и финансовой состоятельности державы. В настоящее время работают семь спутниковых навигационных систем – четыре глобальные (российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo и китайская Beidou), а также три региональные (индийские NAvIC и GAGAN, а также японская QZSS). Французское оборудование для точного определения орбиты и радиопозиционирования DORIS устанавливается на неспециализированные европейские спутники. Указанные навигационные системы имеют «национальные» особенности, но работают по схожим принципам, а их структура, как правило, сопоставима.

Принципы построения

Спутниковые навигационные системы состоят из трех основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Навигационные спутники на околоземных орбитах составляют космический сегмент, а станции контроля и наземные антенны – управляющий. Пользовательский сегмент представлен приемными устройствами, которые используют сигналы спутников для определения собственного местоположения в режиме реального времени.

Спутниковая навигация строится на беззапросном принципе: пользовательский терминал ничего не передает, а лишь принимает непрерывный сигнал от навигационных спутников. В сигнале закодированы координаты космического аппарата, непрерывно рассчитываемые по законам небесной механики, и время отправки сигнала. Терминал принимает эти данные и рассчитывает расстояние до каждого спутника путем умножения скорости света на разницу между временем получения и временем отправки сигнала.

Точные координаты пользователя на поверхности Земли можно получить с использованием сигнала от четырех спутников

Имея данные от трех (а лучше четырех) спутников, методом триангуляции можно вычислить координаты пользователя. По расстоянию лишь до одного космического аппарата сделать это нельзя – приемник может находиться в любой точке сферы вокруг спутника. Данные от второго аппарата сужают область нахождения приемника до окружности. Информация третьего спутника дает наличие двух точек, одна из которых лежит на поверхности, вторая либо в небе, либо прямо под землей. И только данные четвертого спутника позволяют однозначно определить координаты.

Кроме того, часы пользовательского терминала измеряют время иначе, чем бортовой «хронометр» космического аппарата. Для учета разницы также служит четвертый спутник. А для определения своего положения круглосуточно и в любой точке Земли необходимо развернуть орбитальную группировку, состоящую из нескольких десятков спутников, расположенных в нескольких орбитальных плоскостях.

Сейчас в мире работают четыре глобальные системы спутниковой навигации – российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo и китайская Beidou

Параметры орбиты выбираются из технико-экономических и функциональных соображений. Если размещать спутники на низкой орбите, то каждый будет иметь небольшую зону видимости, а для глобального покрытия потребуются сотни космических аппаратов. Кроме того, низкие орбиты подвержены возмущениям от гравитации Луны и Солнца, сопротивления атмосферы и солнечного ветра и т.п. Это снижает точность навигации.

Можно вывести навигационные аппараты на геостационарную орбиту, лежащую в плоскости экватора на высоте около 36 000 км. Для глобальной навигации потребуется всего три спутника. Однако геостационар плохо виден из околополярных регионов. Устранить этот недостаток можно, запуская аппараты на квазизенитную орбиту высотой 36 000 км, но с большим наклонением к экваториальной плоскости. Здесь спутник не останется неподвижно «висеть» над определенной точной экватора, а будет описывать «восьмерки», выполняя один виток за сутки.

Траектория, которую описывает подспутниковая точка космического аппарата, расположенного на наклонной геосинхронной орбите, напоминает восьмерку. https://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/726

Но запуски космических аппаратов на орбиты высотой 36 000 км обходятся значительно дороже, чем на низкие или средние орбиты, поскольку требуют тяжелых ракет-носителей. К тому же геостационар плотно заселен многочисленными телекоммуникационными спутниками, и найти там свободное место становится сложно. Тем не менее в некоторых навигационных созвездиях присутствует высотный сегмент, расширяя функционал систем определения местоположения наземных объектов.

Компромиссным решением, оптимальным по соотношению «эффективность/стоимость», оказалось размещение навигационных космических аппаратов на средневысотных орбитах с наклонением 55-65°. Зона обзора отсюда гораздо больше, чем для низковысотных спутников; можно и наблюдать аппараты из приполярных районов. Кроме того, выбранные высота и наклонение обеспечивают минимальные суммарные возмущения орбиты, повышая стабильность положения спутников и точность навигации.

Американская GPS

Система глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) исторически первой стала применяться в масштабах всего земного шара. Ей предшествовала навигационная система Transit, которая проектировалась с 1958 года для использования в оперативном режиме: стратегическим атомным субмаринам ВМС США требовалось навигационное обеспечение пусков ракет Polaris. Группировка Transit, развертывание которой началось в 1964 году, просуществовала до 1996 года: пять-шесть космических аппаратов, работая одновременно на орбитах высотой 1000 км, обеспечивали точность определения координат до 200 м.

В 1973 году по заказу Пентагона началась разработка космического комплекса для решения задач «по определению местоположения и синхронизации шкал времени» NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging). Архитектура системы, сформулированная через год, включала группировку из 24 спутников, размещаемых на орбитах высотой 20200 км и наклонением 63° в трех орбитальных плоскостях. Первый спутник был запущен в 1978 году.

Transit 5 – спутник системы, использовавшейся для навигационного обеспечения ВМС США. https://www.pvsm.ru/sputnikovaya-svyaz/27547

К концу 1980-х было решено изменить наклонение орбиты до 55°, а количество плоскостей увеличить с трех до шести. В таком виде эта архитектура сохранилась до сих пор.

В 1993 году группировка GPS достигла штатного состава в 24 спутника, а через два года была принята на вооружение.

За десять лет до этого над Сахалином был сбит Boeing 747-230B авиакомпании Korean Air Lines (KAL), выполнявший плановый рейс по маршруту Нью-Йорк–Анкоридж–Сеул, якобы «заблудившийся» и глубоко вторгшийся в воздушное пространство СССР. Во избежание подобных инцидентов президент США Рональд Рейган предложил ограниченно использовать систему GPS для гражданских целей, как только она полностью войдет в строй. Это произошло уже в 1993 году. При этом точность навигации для гражданских целей загрублялась с помощью специального алгоритма до 100 м вместо возможных 10.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

С днем рождения, небесный маэстро! С днем рождения, небесный маэстро!

Вспомним историю легендарного авиаконструктора — Андрея Николаевича Туполева

Наука и техника
«Грызня», «Одни из нас», «Быть присяжным» и не только: 20 лучших зарубежных сериалов 2023 года «Грызня», «Одни из нас», «Быть присяжным» и не только: 20 лучших зарубежных сериалов 2023 года

20 главных иностранных сериалов 2023 года: от «Одни из нас» до «Капли бога»

Правила жизни
Образование в России: «Хороший специалист всегда найдет себе применение» Образование в России: «Хороший специалист всегда найдет себе применение»

Какая сейчас идет нагрузка на школьников и как молодым людям найти призвание

ФедералПресс
Уходят в лед Уходят в лед

Российская полярная наука переживает настоящий ренессанс

Men Today
Четыре часа смартфона в день связали с повышенным риском ментальных нарушений у подростков Четыре часа смартфона в день связали с повышенным риском ментальных нарушений у подростков

Использование смартфона четыре часа в день связано с высокими оценками стресса

N+1
Вы вернулись на маршрут Вы вернулись на маршрут

Московский ресторатор Алексей Пинский прокатился на внедорожнике Tank 500

Robb Report
Курьера-инвалида уволили после жалобы клиентки: почему люди так боятся тех, кто на них не похож Курьера-инвалида уволили после жалобы клиентки: почему люди так боятся тех, кто на них не похож

Почему иногда мы так сильно хотим избавиться от тех, кто не похож на нас?

Psychologies
Властелин цифровой реки Властелин цифровой реки

.В чем секрет успеха Джеффа Безоса

Деньги
Вина из США – яркие, шумные, солидные Вина из США – яркие, шумные, солидные

Знакомимся с американским виноделием

Зеркало Мира
Плоды ошибок трудных Плоды ошибок трудных

Государство усиливает регулирование в сфере абортов

Монокль
Салат «Оливье» Салат «Оливье»

Как появился культовый салат «Оливье»

Знание – сила
«Необъятный мир: Как животные ощущают скрытую от нас реальность» «Необъятный мир: Как животные ощущают скрытую от нас реальность»

Головастики лягушек спасаются из икринок, улавливая присутствие хищника

N+1
Как удержать наступление по всему киберфронту Как удержать наступление по всему киберфронту

Обстановка увеличивает риски для российской информационной инфраструктуры

Монокль
Это что такое? Это что такое?

5 причин, почему мужчины дарят не те подарки

Лиза
От $300 до $1300 в час: кто нанимает бухгалтеров-криминалистов и сколько это стоит От $300 до $1300 в час: кто нанимает бухгалтеров-криминалистов и сколько это стоит

Кто такие бухгалтера-криминалисты и кто пользуется их услугами?

Forbes
Кодекс постороннего Кодекс постороннего

Как Альбер Камю обнаружил, что жизнь не имеет смысла — и нашел, зачем стоит жить

Weekend
Голова в тумане Голова в тумане

10 продуктов, которые могут нарушить работу мозга

Лиза
Малая авиация большой страны: куда долетит ТВС-2МС Малая авиация большой страны: куда долетит ТВС-2МС

О возможностях и перспективах легких самолетов в России и за ее пределами

ФедералПресс
Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся» Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся»

История самой глубокой в мире скважины – «Кольской сверхглубокой»

Зеркало Мира
Археологи нашли древнейшие в Северной Африке следы человеческих ног Археологи нашли древнейшие в Северной Африке следы человеческих ног

Древнейшие отпечатки ног людей, которые когда-либо находили в Северной Африке

N+1
Город в городе Город в городе

Как девелоперы прокачивают полицентричность в любом районе Петербурга

Собака.ru
Малопонятный государственный муж Малопонятный государственный муж

Портреты изображают Победоносцева человеком сухим и строгим, без тени улыбки

Дилетант
Соль Лондона Соль Лондона

Несколько картинок из жизни безумной лондонской квартирки и ее хозяйки

Seasons of life
Как вещи влияют на вашу жизнь: 3 вопроса, чтобы сделать быт источником счастья Как вещи влияют на вашу жизнь: 3 вопроса, чтобы сделать быт источником счастья

Мы очень хотим жить по собственному сценарию. Но не у всех это получается

Psychologies
Ферма будущего Ферма будущего

Как семейное увлечение мыловарением выросло в большой бренд

Seasons of life
5 черт поколения Y, которые могут его погубить 5 черт поколения Y, которые могут его погубить

Карьерный маркетолог выделила черты поколения Y, которые могут ему навредить

Psychologies
Слишком дорого и неоднозначно. Тест-драйв Volkswagen Taos 4 Motion Слишком дорого и неоднозначно. Тест-драйв Volkswagen Taos 4 Motion

Почему маленький кроссовер Volkswagen не может привлечь покупателей

4x4 Club
Кто стал прототипами главных героев «Слова пацана» Кто стал прототипами главных героев «Слова пацана»

Какими были настоящие «пацаны» из казанских ОПГ?

Maxim
Александр Попов. Русский волшебник беспроводной связи Александр Попов. Русский волшебник беспроводной связи

Как русский ученый-физик Александр Степанович Попов изобрел радио

Зеркало Мира
Экономика в двух измерениях Экономика в двух измерениях

После открытия графена обнаружены более десяти веществ со схожей структурой

Наука
Открыть в приложении