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

Система Юпитера: рождение пожирателя миров Система Юпитера: рождение пожирателя миров

Юпитер огромен. Настолько, что сухие цифры его величия ни о чем уже не говорят

Наука и техника
Фильм начинается Фильм начинается

Небольшая студия с интерьером в стиле «Криминального чтива»

Идеи Вашего Дома
(Не) как у всех (Не) как у всех

Кухня — безупречный образец бесконечных повторений

Grazia
Корица Корица

Почему вам стоит добавить корицу в свой рацион?

Здоровье
Ночь в музее, «комната Афродиты» и «зона похоти»: самые роскошные новогодние корпоративы в истории Ночь в музее, «комната Афродиты» и «зона похоти»: самые роскошные новогодние корпоративы в истории

Самые необычные новогодние вечеринки — как зарубежные, так и российские

Правила жизни
Сквозные и критические: как изменилась стратегия развития технологий Сквозные и критические: как изменилась стратегия развития технологий

Сектор инноваций в России продолжает развиваться благодаря господдержке

РБК
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
Что сделал Си Цзиньпин для Китая: ликвидация нищеты и полеты на Марс Что сделал Си Цзиньпин для Китая: ликвидация нищеты и полеты на Марс

Каких преобразований господин Си добился за годы правления?

ФедералПресс
Что такое поколение «альфа»: разбираем, чем эти дети отличаются от своих родителей Что такое поколение «альфа»: разбираем, чем эти дети отличаются от своих родителей

Поведение поколения альфа: чего ждать от тех, кто придет на смену зумерам

Psychologies
Зооразвод. Как не попасть в ловушку из-за любви к животным? Зооразвод. Как не попасть в ловушку из-за любви к животным?

4 уловки зоомошенников, которые угрожают не только кошельку владельца

Лиза
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
Genesis GV80. Премиальный — не значит дорогой Genesis GV80. Премиальный — не значит дорогой

Genesis GV80 — альтернатива премиальным кроссоверам BMW и Medcedes

4x4 Club
Пальма первенства Пальма первенства

Эффектный и современный интерьер апартаментов в фешенебельном комплексе

SALON-Interior
Мартин Скорсезе, Кристофер Нолан, Грета Гервиг, Уэс Андерсон: лучшие фильмы 2023 года Мартин Скорсезе, Кристофер Нолан, Грета Гервиг, Уэс Андерсон: лучшие фильмы 2023 года

Лучшие фильмы 2023 года, которые заставляли нас испытывать эмоции

Forbes
Сны Алины Сны Алины

Актриса Алина Гвасалия — о неисчерпаемых возможностях копирования самого себя

Grazia
Император и историческая память Император и историческая память

Как Карл Великий превратился во «второго короля Артура»

Знание – сила
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
Современная сказка Востока Современная сказка Востока

Крупнейший из семи Арабских Эмиратов, Абу-Даби, любит быть первым во всем

Лиза
Как устроен рынок спешелти-кофе Как устроен рынок спешелти-кофе

Почему кофе считают более сложным продуктом, чем вино?

СНОБ
«Автор неизвестен»: объективная ценность произведения искусства «Автор неизвестен»: объективная ценность произведения искусства

Можно ли воспринимать анонимные произведения искусства

Монокль
Салат «Оливье» Салат «Оливье»

Как появился культовый салат «Оливье»

Знание – сила
«Городок» «Городок»

Юмористическое шоу «Городок», выходило с 1993 по 2012 г.

Правила жизни
«Декабрист» и другие шлумбергеры «Декабрист» и другие шлумбергеры

Первый по распространённости в мире кактус

Наука и жизнь
«Кукурузная кампания» Никиты Хрущева: как первый секретарь ЦК КПСС пытался накормить всю страну «Кукурузная кампания» Никиты Хрущева: как первый секретарь ЦК КПСС пытался накормить всю страну

Почему именно кукуруза стала предметом кампании Никиты Хрущева

ТехИнсайдер
Игра в имитацию Игра в имитацию

Македонский писатель Венко Андоновский об имитации жизни

Grazia
Подзарядка батареек Подзарядка батареек

Чтобы повысить энергетический потенциал, прислушайся к нашим советам

Лиза
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
7 неочевидных признаков того, что вас не уважают 7 неочевидных признаков того, что вас не уважают

Признаки того, что ваши слова не имеют никакого веса для других людей

Maxim
Верю в Веру! Воспоминания о Вере Васильевой Верю в Веру! Воспоминания о Вере Васильевой

Секретом здоровья и энергичности Веры Васильевой было отсутствие злости

Коллекция. Караван историй
Пока все дома Пока все дома

Что стоит за страстью к порядку?

Лиза
Открыть в приложении