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

Как повысить самооценку и обрести уверенность? 11 советов психолога Как повысить самооценку и обрести уверенность? 11 советов психолога

Заниженная самооценка мешает нам строить здоровые отношения и карьеру

Psychologies
«Сфера» развлечений «Сфера» развлечений

Летом 2023 года над Лас-Вегасом засветилась Луна и превратилась в огромный глаз

ТехИнсайдер
Подзарядка батареек Подзарядка батареек

Чтобы повысить энергетический потенциал, прислушайся к нашим советам

Лиза
Что такое инулин, чем полезен и в каких продуктах содержится Что такое инулин, чем полезен и в каких продуктах содержится

Инулин — это разновидность пребиотика, который присутствует во многих овощах

РБК
Счастливые отношения после токсичных: как их обрести — 4 совета Счастливые отношения после токсичных: как их обрести — 4 совета

Как же все-таки полюбить вновь? Рассказывает психолог

Psychologies
Йоргос Лантимос Йоргос Лантимос

Режиссер Йоргос Лантимос о своей музе Эмме Стоун

Grazia
Кино Кино

Маршал советской комедии: путь Леонида Гайдая к эталону юмористического фильма

Правила жизни
Как родить здорового ребенка: ответы на топ-5 вопросов всех будущих мам Как родить здорового ребенка: ответы на топ-5 вопросов всех будущих мам

У будущих мам всегда много вопросов о здоровье — своем и малыша

Psychologies
Ловись, рыбка! Ловись, рыбка!

Выбирайте для своего стола лучшую рыбу

Добрые советы
Строить, не ломать Строить, не ломать

Очень надеемся, что облик XXI века определят не конфликты, а проекты городов

Robb Report
Классика по-московски Классика по-московски

Спокойный, выдержанный, элегантный интерьер квартиры в центре Москвы

SALON-Interior
Добродетельные матроны Добродетельные матроны

У Цезаря и Антония было немало женщин помимо Клеопатры

Дилетант
Император и историческая память Император и историческая память

Как Карл Великий превратился во «второго короля Артура»

Знание – сила
Инновации как способ выживания Инновации как способ выживания

На макроуровне никакой активизации НИОКР в средних компаниях не замечено

Монокль
Традиции русской мысли о развитии и пространстве Традиции русской мысли о развитии и пространстве

Почему для российской урбанистики важно понимать, что есть живое

Монокль
От авторства до монополии От авторства до монополии

Как лучше защищать свои творческие и инновационные достижения

Наука и техника
Иван Антонович Ефремов и его вклад в мировую науку Иван Антонович Ефремов и его вклад в мировую науку

Иван Ефремов оставался признанным классиком жанра и при жизни, и после смерти

Наука и техника
Елена Скрынник: «Сильному духу все подвластно» Елена Скрынник: «Сильному духу все подвластно»

Елена Скрынник о ее карьере, детях и о настоящем и будущем нашей страны

Караван историй
Отраслевая связка: зачем в Подмосковье открыли новое производство кабелей Отраслевая связка: зачем в Подмосковье открыли новое производство кабелей

Разговор с Павлом Моряковым об импортозамещении и перспективах развития бизнеса

СНОБ
75% людей принимают приглашение в гости, куда вообще не хотят идти, чтобы никого не обидеть 75% людей принимают приглашение в гости, куда вообще не хотят идти, чтобы никого не обидеть

Что хуже: посетить вечеринку, на которую вы не хотите идти, или остаться дома?

Inc.
Что делать, если у вас чешутся глаза Что делать, если у вас чешутся глаза

Почему возникает зуд в глазах и почему их ни в коем случае нельзя тереть

ТехИнсайдер
Прадедушка современных дронов: как был устроен беспилотный самолет-торпеда времен Первой мировой Прадедушка современных дронов: как был устроен беспилотный самолет-торпеда времен Первой мировой

Почему история воздушной торпеды Чарльза Кеттеринга закончилась плачевно

ТехИнсайдер
«В станкостроении науки не существует» «В станкостроении науки не существует»

Прикладной науке, в советском понимании, в современно мире места быть не может

Монокль
Это что такое? Это что такое?

5 причин, почему мужчины дарят не те подарки

Лиза
«Мы нравимся другим больше, чем думаем»: 2 причины недооценки симпатии «Мы нравимся другим больше, чем думаем»: 2 причины недооценки симпатии

Почему мы плохо распознаем симпатию к себе?

Psychologies
Научная фантастика Поднебесной: с каких книг начать читать Лю Цысиня Научная фантастика Поднебесной: с каких книг начать читать Лю Цысиня

С каких произведений начать знакомиться с великим китайским фантастом Лю Цысинем

ТехИнсайдер
10 новогодних фильмов, которые должен посмотреть каждый 10 новогодних фильмов, которые должен посмотреть каждый

Фильмы, которые подарят вам новогоднее настроение

Maxim
По центру. Что такое центральная точка в интерьере и как ее создать По центру. Что такое центральная точка в интерьере и как ее создать

Центральная точка – элемент интерьера, в первую очередь притягивающий взгляд

Лиза
Доставить радость Доставить радость

Твой подарок точно понравится, если учесть психотип человека!

Лиза
Александра Ребенок Александра Ребенок

Александра Ребенок берется за очень странные дела в сериале «Сны Алисы»

Собака.ru
Открыть в приложении