О спутниковой навигации написано много статей и книг. Несмотря на это, есть люди, интересующиеся техникой, но имеющие весьма туманное представление о принципах работы систем спутниковой навигации. Я, к примеру, слышал об одном преподавателе топографии (!) в институте, который был уверен, что спутники GPS находятся на геостационарных орбитах! Один из студентов вступил с ним в яростный спор, нашёл материал в интернете, распечатал специально для него. Но преподаватель выдвинул "железный", с его точки зрения, аргумент: "Как же навигатор определил бы расстояние до спутника, если бы спутник не "висел" неподвижно в небе, а двигался?"

Человек, привычно включающий навигатор (или отдельный, или в составе смартфона), зачастую даже не представляет, какую огромную и сложную систему он использует, какое количество людей и техники работают для того, чтобы он увидел на экране метку на карте, которая обозначает его самого! Многие пользователи этой системы недовольны и капризничают: "Как всё медленно и неточно!", не понимая, что любой сложной системой нужно уметь пользоваться и не требовать от неё невозможного.

Сейчас существуют (или готовятся к развёртыванию) 5 систем спутниковой навигации: американская NAVSTAR (GPS), российская ГЛОНАСС, а также китайская Бэйдоу, европейская Galileo и индийская IRNSS. Я буду рассказывать в большей степени о GPS и частично о ГЛОНАСС.



Основной принцип определения координат места вообще был, разумеется, известен и использовался, к примеру, во время первой мировой войны. Я слышал о таком методе определения координат вражеской артиллерийской батареи: в нескольких местах с известными координатами располагались примитивные датчики. Сигналы от них поступали в расчётный пункт, где измеряли время между приходом звука выстрела с каждого такого датчика. Ну а дальше вступала в действие математика: достаточно было решить систему из несколько уравнений - и координаты вражеской батареи определены.

По сути, ситуация со спутниками очень похожа. Требуется измерить расстояние до трёх спутников (зная их координаты в пространстве) - и наше местоположение мы получим без труда. Расстояние до каждого спутника можно представить себе в виде сферы, построенной вокруг спутника. Пересечение трёх сфер - это и есть искомая координата. Правда, пересечение трёх сфер - это не одна точка, а две, но мы исключаем одну точку, которая будет находится или под поверхностью Земли, или в космосе.

Кстати, вопреки распространённому мнению, навигаторы ничего не излучают в эфир, не вступают в контакт со спутниками, а работают только на прием, как радиоприемник.



Как измерить расстояние до спутника? Конечно, измеряя время, за которое радиосигнал от него идёт до нас. Вот тут мы сталкиваемся с первой трудностью. Спутники GPS вращаются на орбитах около 20180 км в шести плоскостях (ГЛОНАСС - на высоте 19100 в трёх плоскостях). Сигнал от спутника идёт примерно 0.07 секунды и измерить это время нужно с точностью до 9-й значащей цифры. Для современной электроники это несложная задача, но проблема состоит в том, что мы не знаем КОГДА был отправлен сигнал со спутника. Для того, чтобы это знать, нужно иметь строго синхронизированные часы (на спутнике и на приёмнике). Причём синхронизация времени должна быть сумасшедшей - 1 стомиллионная секунды! Если, к примеру, синхронизация часов будет всего 0.001 секунды, что по бытовым представлениям - сверхточно, то ошибка в определении координат будет 250 км! Такой навигатор не нужен вообще.

На спутниках установлены цезиевые атомные часы. Это сейчас самые точные часы, которые можно поместить на спутник. Стабильность часов, находящихся на спутниках обеспечивает их уход в 1 секунду за 30000 лет. В наземных пунктах работают ещё более точные водородные часы, которые имеют точность ещё раз в десять выше. Периодически часы на спутниках подправляют по этим водородным часам. Если бы в навигаторе пользователя также были атомные часы, проблемы бы не было. Но по причине стоимости и габаритов в навигаторах стоят обычные кварцевые часы. Требуется хотя бы кратковременная синхронизация с вышеупомянутой точностью. Как это достигается?

Для синхронизации часов требуется расстояние не до трёх, а минимум до четырёх спутников. Вспомним, что, если имеется N неизвестных переменных, то нам нужно N независимых уравнений. Если измерение времени сопровождается постоянной неизвестной ошибкой (t - величина рассинхронизации), у нас будет четыре неизвестных переменных: Долгота(X), Широта(Y), Высота(Z), Ошибка времени(t)

Я не буду приводить здесь эту систему из четырёх уравнений, только скажу, что достаточно решить эту систему уравнений - и мы получим одновременно и координаты и синхронизацию времени не хуже 1 стомиллионной секунды. Компьютер навигатора решает такую систему уравнений с помощью метода итераций.

Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника. Но в реальности на небосклоне их больше. Поскольку система GPS работает на радиочастоте около 1,5 гигагерц, радиолуч распространяется только по прямой линии, как свет. Если спутник заслонён зданием или ещё чем-то, то приёма от него не будет. Поэтому в городах, например, навигаторы работают хуже, чем в поле.

"Избыточность" спутников обеспечивает пользователю вычисление координат в условиях, где видимость неба ограничена высотными зданиями, деревьями или горами. Современные многоканальные GPS-навигаторы одновременно отслеживают до 12 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей.

Мало измерить расстояние до спутника, надо знать ещё и ЕГО координаты в пространстве, причём именно в момент измерения. А если учесть, что спутники двигаются по своим орбитам со скоростью 3 км/сек, то задача получается не из лёгких!

Для этого каждый спутник всё время передаёт в эфир параметры своей орбиты, эфемериды. Делается это в непрерывном потоке информации, которая идёт со спутника со скоростью 50 бит в секунду (кстати, у ГЛОНАСС - 100 бит/сек). Почему же такая небольшая по современным меркам скорость? Сигнал очень слаб: мощность передатчиков спутников GPS примерно 20 ватт, но достоверность информации должна быть 100% - иначе никакой навигации не получится. Для сравнения могу сказать, что мощность в антенне телевизионного передатчика 1 канала около 50 КИЛОватт! А ведь телевизор принимает сигнал максимум в сотне километров от телецентра. А передатчик спутника находится на расстоянии 20 тысяч километров!

Параметры изменяющейся со временем орбиты (и другие данные) передаются с Земли с контрольных станций. Существуют 10 станций слежения (мониторинга) и главная станция управления, которые расположены на военных базах США. Все они более-менее равномерно распределены по всему земному шару. Кстати, у ГЛОНАСС пока только 2 станции слежения вне страны - в Антарктиде и в Бразилии. Внутри страны - 14 станций.



В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временнЫе сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. Загрузка навигационных данных, состоящих из параметров орбиты и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

Каждый спутник, помимо собственной текущей орбиты, передаёт и так называемый "альманах" - приближённые данные для всех спутников системы. Это нужно для ускорения процесса определения координат. Время передачи для альманаха - 12.5 минут. Приемник GPS должен получить весь альманах для работы (при своей первичной инициализации). Многие навигаторы имеют возможность показать на экране положение на небосводе всех видимых в данный момент спутников. Эта информация берётся как раз из альманаха.

Со спутника передается и текущее время, полученное от его атомных часов. Он передает так называемый 10-битовый недельный номер (значения от 0 до 1023 могут быть представлен 10 битами). Время GPS начинается в воскресенье, 6 января 1980 в 00:00:00 часов. Каждые 1024 недели число недель обнуляется.

Разумеется, в эфир передаётся и "имя" спутника, чтобы навигатор знал откуда пришла информация. При обычной загрузке навигатору требуется до 1 мин, чтобы обнаружить и обработать все доступные сигналы.

Существует много факторов, влияющих на точность измерения расстояния. Одним из таких факторов является наша земная ионосфера. Она имеет разную толщину, всё время меняется и сильно влияет на скорость распространения радиоволн, а поэтому и на точность определения расстояния до спутника. Для того, чтобы это как-то учитывать, используют две различных частоты передатчика. Разные частоты по-разному замедляются в ионосфере и по разности времени можно рассчитать толщину ионосферного слоя. Наиболее дорогие навигаторы способны на такое измерение.

Специалисты используют для оценки возможностей в навигации деление GPS-приемников на "кодовые" и "фазовые". Вторая категория аппаратов применяет не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и проводит серьезный анализ фазы несущего сигнала. Во многих случаях это дорогостоящие двухчастотные геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров.

Первоначально GPS разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза из-за дезориентации экипажа в пространстве самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей, для предотвращения подобных случаев в будущем, но с помощью специального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70–100 метров. А с 1 мая 2000 года, этот режим был отключен по распоряжению Клинтона и точность повысилась до 3–10 метров. С этого момента на рынке стали появлятся бытовые навигаторы разных конструкций.



Я описал, как мог, упрощённо, систему спутниковой навигации. В основном я говорил про GPS и, частично, про ГЛОНАСС. Разумеется, на самом деле всё намного сложнее. Да и точность бытовых навигаторов в лучшем случае метра три. А ведь существует и профессиональное, геодезическое применение этой системы. Профессиональные приёмники обеспечивают точность ту, которая и требуется в геодезии, то есть единицы сантиметров и даже несколько миллиметров.

О группировке спутников GPS

Спутники NAVSTAR (GPS) обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20 180 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут).

Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.

Коротко о ГЛОНАСС

В настоящее время в составе орбитальной группировки ГЛОНАСС насчитывается 28 спутников. Из них 24 используются по целевому назначению, три космических аппарата находятся в орбитальном резерве и один — на этапе летных испытаний.

GLONASS означает Global Navigation Satellite System. Программа впервые стартовала в Советском Союзе. Первые три тестовых спутника были запущены на орбиту 12 октября 1982 года. Наиболее важные характеристики этой системы:
- 24 запланированных спутника (21 стандартных + 3 резервных);
- 3 орбитальных уровня с углом 64.8° от экватора (это самый высокий угол из всех навигационных систем, он позволяет иметь хороший прием в полярных областях, что для нашей страны немаловажно);
- орбитальная высота 19,100 км;
- орбитальный период 11 ч 15.8 мин.



Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка спутников ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования (орбиты спутников GPS постоянно корректируют - у них есть двигатели коррекции). Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче, чем GPS и составляет: 3 года - для ГЛОНАСС, 7 лет - для ГЛОНАСС-М и 10 лет - для ГЛОНАСС-К.

А. Макеев, специально для сайта "Ваш компьютер", 23 октября 2013 года.