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

Миры со звездами, где звезд две и больше двух Миры со звездами, где звезд две и больше двух

Двойных и тройных звезд гораздо больше, чем одиноких

Зеркало Мира
Удивительно, но воды Тихого и Атлантического океана не смешиваются! И мы знаем, почему это происходит! Удивительно, но воды Тихого и Атлантического океана не смешиваются! И мы знаем, почему это происходит!

Почему иногда воды из разных рек или океанов не смешиваются?

ТехИнсайдер
«О, тепленькая пошла» «О, тепленькая пошла»

В какой части Арктики лед тает быстрее

Санкт-Петербургский университет
Коврик не понадобится: 5 простых упражнений для пресса, которые можно делать стоя Коврик не понадобится: 5 простых упражнений для пресса, которые можно делать стоя

Не любишь скручиванию и планку? Есть другие варианты для прокачки пресса!

VOICE
Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу» Лиза Шакира: «Умение признавать свой страх очень облегчает любую работу»

Вдруг все мои достижения, все мои роли — это лишь случайность?

Коллекция. Караван историй
Двухэтажные автобусы, сауны и скалолазание: самые необычные коворкинги в мире Двухэтажные автобусы, сауны и скалолазание: самые необычные коворкинги в мире

Какие появляются пространства, когда коворкинги хотят удивить своих посетителей

Forbes
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
Игорь Миркурбанов: «Любое пение должно быть актерским» Игорь Миркурбанов: «Любое пение должно быть актерским»

Игорь Миркурбанов о своем новом спектакле-концерте и песнях Сергея Наговицына

Монокль
История ритуального убийства История ритуального убийства

Книга, в которой подробно описана история краха Советского Союза

Монокль
Исследование: у владельцев собак риск развития деменции на 40% ниже Исследование: у владельцев собак риск развития деменции на 40% ниже

Люди старше 65 лет, у которых есть собаки, намного реже страдают деменцией

ТехИнсайдер
Лана Дель Рей, Blur, Дельфин: лучшие музыкальные альбомы 2023 года Лана Дель Рей, Blur, Дельфин: лучшие музыкальные альбомы 2023 года

2023 год стал важной вехой в истории современной музыки

Forbes
Ужасная красавица Ужасная красавица

Плотный облачный покров долго скрывал от людей настоящий характер этой планеты

ТехИнсайдер
ВОЗмутительная политика ВОЗмутительная политика

Подходы к борьбе с табакокурением сегодня все больше напоминают охоту на ведьм

Наука
Ралли-2023 Ралли-2023

Торможение автомобильного рынка после разгона

Деньги
Стильная импровизация Стильная импровизация

Арсений Попов — о том, почему не любит импровизировать в быту

Men Today
Пока все дома Пока все дома

Что стоит за страстью к порядку?

Лиза
Фитнес тридесятого царства Фитнес тридесятого царства

Правила жизни спортсменов в самом расцвете сил

Men Today
... а вместо сердца пламенный... ротор! ... а вместо сердца пламенный... ротор!

Почему роторным двигателям не удалось завоевать мир?

Зеркало Мира
Елена Лядова: «Дом — не дом, если там холодно и нет любви» Елена Лядова: «Дом — не дом, если там холодно и нет любви»

Крыло горит, я на высоте, а вся группа — внизу

Караван историй
Работа над отношениями Работа над отношениями

Как остановить офисные конфликты и сохранить свой степлер неприкосновенным

VOICE
Переживая Фассбиндера Переживая Фассбиндера

Как Ханна Шигулла победила прошлое, не прощаясь с ним

Weekend
Губительная зацикленность на ипотеке Губительная зацикленность на ипотеке

Льготная ипотека привела к резкому удорожанию жилья и усилила дисбалансы

Монокль
Фильм «Убийцы цветочной луны» с ДиКаприо и Де Ниро — кульминация творчества Мартина Скорсезе Фильм «Убийцы цветочной луны» с ДиКаприо и Де Ниро — кульминация творчества Мартина Скорсезе

«Убийцы цветочной луны» — синтез всего лучшего из карьеры Скорсезе

Правила жизни
«Немой учитель» «Немой учитель»

Тысячелетняя история книги: от глиняных табличек до электронных ридеров

Зеркало Мира
Спорно, но задорно Спорно, но задорно

Гарик Харламов вспомнил и проанализировал историю конфликтов в своей жизни

Men Today
Рыночные отношения Рыночные отношения

Известный российский гастрокритик познает этот мир самым действенным способом

СНОБ
«Мы сделали особый акцент на первичном рынке» «Мы сделали особый акцент на первичном рынке»

О новых рыночных реалиях, новых интересах и требованиях инвесторов

Деньги
Диет-советы к празднику Диет-советы к празднику

Как легко похудеть к 31 декабря

Лиза
Когда наши поезда полетят Когда наши поезда полетят

«Росмаглев» разрабатывает транспортные системы на принципе магнитной левитации

Монокль
Директор «Нужна помощь» Елизавета Васина — Forbes: «Люди не стали жертвовать меньше» Директор «Нужна помощь» Елизавета Васина — Forbes: «Люди не стали жертвовать меньше»

Как развивать благотворительность на фоне снижения пожертвований и доверия

Forbes
Открыть в приложении