Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает?

26.06.2008

Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает?

Представляем вам статью Александра Петрова и Зорина Виктора, написанную в рамках совместного проекта журнала "Компьютерра" и портала "GPS Клуб"

---

 

    Глобальные Навигационные Спутниковые  Системы (GNSS).
Как это работает?     

          Слова GPS, ГЛОНАСС, GALILEO известны многим из новостей, журналов или Интернета. Некоторые даже знают их основные принципы работы, но до сих пор вокруг этих технически сложных систем много мифов, а разные толкования в различных источниках вместо полной ясности вносят еще больше сумятицы. Каким образом работает спутниковая навигационная система? Из каких подсистем состоит? Какие данные передаёт спутник? Точность определения местоположения? Чем отличается гражданский и военный сигнал? Вопросов возникает много. Конкретный ответ сегодня найти сложно. Отвечают либо дилетанты, высказывая своё мнение, либо учёные, которые  написали ряд научных трудов, прочитать которые дано не каждому. Мы обратились за помощью к научной литературе, официальным документам и попросили экспертов в области навигационных систем прокомментировать эти статьи и труды и, получив огромную информацию, попытались в простой и максимально доступной форме разобраться в столь непростом и достаточно закрытом вопросе.

 

Для начала нам придётся разобраться в терминологии и в основных понятиях, и дать им точное определение.

Позиционирование – определение своего местоположения в пространстве

GPS – Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System - англ.)

GNSS – Глобальная Навигационная Спутниковая Система (Global Navigation Satellites System - англ.)

NAVSTAR - измерение времени и расстояния от навигационных спутников (NAVigation Satellites providing Time And Range - англ.)

ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система

Эфемерида - спрогнозированные параметры орбиты и их производные

Альманах – набор сведений, о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая загрублённые эфемериды применяемые для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия и содержащих сведения.

Навигационные сообщения – передаваемые спутником пакетные данные, содержащие эфемериду с метками времени и альманахом.

 

            На сегодняшний день в научной и другой специализированной литературе, а так же во многих официальных документах, аббревиатуру GPS относят исключительно к американской системе NAVSTAR, хотя изначально предполагалось, что так будут называть все глобальные спутниковые системы позиционирования. Спутниковая система NAVSTAR изначально разработана  для нужд американского военного ведомства  на долгие годы стала законодателем в области новых навигационных технологий по всему миру и первой доступной гражданскому пользователю системой спутникового позиционирования. В СССР все работы над системой ГЛОНАСС были засекречены, а в момент распада сверхдержавы, развалились и многие отлаженные механизмы по разработке, выпуску и применению навигационных технологий. В России почти на десять лет забыли не только про навигационные технологии, но и про обороноспособность страны в целом, а космодром Байконур стал принадлежать бывшей “братской” республике. NAVSTAR и по сей день остаётся единственной полностью развёрнутой глобальной спутниковой системой и применяется для определения местоположения во всём мире. Но только военные США могут использовать главный “козырь” этой системы - высокоточное наведение оружия массового поражения и другого вооружения на цель, а все гражданские пользователи во всём мире, включая  пассажирские самолёты и корабли, могут по решению Министерства Обороны США быть отключены от возможности принимать сигнал с американских навигационных спутников.  Эта монополия не устраивает большинство ученых из России, Европы, Индии, Китая и Японии, которые разрабатывают собственные системы спутникового позиционирования и в международных документах все системы, включая GPS, получили аббревиатуру – GNSS (Global Navigation Satellites System (англ.) – Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Американская же система NAVSTAR стала GPS NAVSTAR или чаще просто  GPS.

 

           Теперь, когда мы немного разобрались в терминологии, перейдём к общему устройству глобальных спутниковых систем на примере американской NAVSTAR и российской ГЛОНАСС.

Эти навигационные спутниковые системы имеют много общего:

1. Назначение спутниковых систем

2. Общий номинальный состав спутниковых систем

3. Принцип работы спутниковых систем

4. Ведомственная принадлежность спутниковых систем

          Также имеется множество различий, которые и дают дополнительные преимущества при использовании разных навигационных систем гражданскими пользователями. О различиях, достоинствах и недостатках разных систем  мы поговорим в следующих выпусках журнала.

 

 

1. Назначение спутниковых систем

Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС -  системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных  для нужд Министерств обороны  и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник) и используют сигналы на основе «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.

 

 

2.      Общий состав системы

Навигационные системы NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС состоят из трёх основных  подсистем:

o    подсистема космических аппаратов

o    подсистема контроля и управления

o    навигационной аппаратуры потребителей

 

Подсистема космических аппаратов 

            Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют “сетку” над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести . Полностью развёрнутая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для “горячей” замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях. При необходимости в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника располагаются несколько эталонов времени и частоты «высокоточные атомные часы». Работает всегда один эталон, а располагается их в спутнике несколько (от трёх до четырёх).

 

Подсистема контроля и управления

  Эта система состоит из:

-  центра управления навигационной системой со своим мощным вычислительным центром

-  развёрнутой сети станций измерения управления и контроля, связанных между собой

- центром управления каналами связи и наземного эталона времени и частоты “атомных часов”, для синхронизации бортовых “атомных часов” спутников (этот эталон более высокоточный,  чем те, что установлены на спутниках).

В задачи данной подсистемы входит контроль правильности функционирования спутников, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При пролёте спутника в зоне видимости станции измерения, управления и контроля, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и производит обмен данными с центром управления системой. На главной станции происходит обработка и вычисление всех поступающих от сети управления данных их математическая обработка и вычисление координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовой компьютер спутника.

 

Навигационная аппаратура потребителей

Состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени.

 Области применения GNSS:

- потребности Министерства обороны

- гражданская авиация

- морской и речной транспорт

- геодезия и картография

- строительство

- наземный транспорт

- системы безопасности

- спорт

- сельское хозяйство

- спасательные работы

- частное использование

 

3. Принцип работы системы

Задача вычисления своего местоположения пользователем является достаточно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников, т.е. знать их точное местоположение относительно приёмной аппаратуры. Спутники постоянно двигаются, соответственно координаты постоянно меняются. Для оперативного просчёта и уменьшения вычислительной мощности размеров и стоимости пользовательской аппаратуры, вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления, в котором по результатам наблюдений за спутниками просчитывается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени и во время сеансов связи передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени. Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются – эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия и, содержащих сведения о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая “загрублённые” эфемериды, называются  альманахом. Передатчики, находящиеся на спутнике в беспрерывном режиме на высокой частоте передают навигационные сообщения, содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет собственные координаты, при необходимости выводя их на средства отображения информации.

Вычислив координаты спутника, зная точное расстояние от спутника до земли и эталонное время распространения радиосигнала, приёмная аппаратура сможет вычислить расстояние от спутника до пользовательского приёмника, а вычислив расстояние до нескольких спутников, можно будет определить своё местоположение. Вот как это происходит в теории:

Вычислив расстояние  от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1

 

Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения.

 

Для получения более точных данных нам понадобится  информация о расстоянии до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования.

Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется чётвертый спутник. Наша задача решена.

 

           Задача, которую мы решили чисто теоретическая, на практике всё намного сложней. Например, существуетвлияние ионосферы и тропосферы, где скорость сигнала замедляется, естественные и искусственные  препятствия для прохождения радиоволн. Сигнал имеет свойство отражаться от поверхности, в связи с этим приходится решать одновременно несколько задач и корректировать сигнал от спутников с помощью наземных станций WAAS EGNOS и других беспроводных технологий Wi Fi, GSM. Перефразируя известную пословицу, скажем так: “лишним спутником позиционирование не испортишь”, и чем больше сигналов от разных спутников одновременно сможет просчитать приёмник, тем качественнее и точнее позиционирование. Но, даже имея самый современный приёмник для гражданского применения, максимальная точность, на которую Вы сможете рассчитывать, используя группировку NAVSTAR, от 2-х до 5-ти метров, тогда как геодезическое оборудование обеспечивает точность до 1 метра, а военное до нескольких сантиметров. Дело в том, что для разных потребителей передаётся разный сигнал и используется совершенно разная аппаратура. Для увеличения точности позиционирования используются вспомогательные местные системы позиционирования: (SBAS) для NAVSTAR –  WAAS (США), для GALILEO –EGNOS (Европа) и MTSAT для Японии у России такой системы пока нет.

 

4. Ведомственная принадлежность спутниковых систем

 

Навигационная спутниковая система - это очень сложный и дорогостоящий механизм и принадлежит он государствам (Министерству обороны тех стран, где разрабатывался и внедрялся). GNSS являются также стратегическим видом  вооружения тех стран, которым принадлежат. В случае возникновения боевых действий мирная с виду технология может быть задействована для наведения высокоточного оружия, десантирования грузов, ориентирования на местности целых подразделений, проведения разведывательно-диверсионных операций  и как результат - серьезное преимущество в скорости и точности позиционирования перед противником, не имеющим собственных технологий спутникового позиционирования. Управление таким механизмом может осуществлять только Министерство обороны. Управление орбитальной группировкой NAVSTAR осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Шривер (Schriever) штат Колорадо Спрингс и с помощью 10 станций слежения. Слежение и управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляется Космическими войсками России с главной контрольной станцией в Краснознаменске.

В данной статье мы рассказали о том, что объединяет практически все глобальные системы спутникового позиционирования, в следующих статьях мы подробно рассмотрим историю, состояние и отличия каждой системы.

ОБСУДИТЬ НА ФОРУМЕ

---

Другие материалы совместного проекта журнала "Компьютерра" и портала "GPS Клуб" вы можете прочитать в номере №23 журнала "Компьютерра", а также, в скором времени, и на нашем сайте.

Перпечатка данного материала запрещена.