Спутниковые навигационные системы и глобальные технологии их применения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 551.46

Б.Г. Мордвинов СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В докладе освещаются предпосылки и история создания спутниковых навигационных систем. Излагаются технические, эксплуатационные и точностные характеристики. Рассматриваются глобальные технологии их применения в раз.

Спутниковая навигационная система; технологии использования; точност-.

B.G. Mordvinov SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS AND GLOBAL TECHNOLOGIES OF THEIR USING

In this report the presuppositions and history of satellite navigation systems creation are discussed. The technical, operation and precision characteristiocs are describes. The global technologies of their using in different branches are considerate.

Satellite navigation system; technologies of using; precision characteristics.

Спутниковые навигационные системы (CHC) в конце XX в. нашли широкое применение во многих областях человеческой деятельности во всех регионах Земли и околоземном воздушном и космическом пространстве. Интерес к все более широкому практическому применению СНС в самых разных областях хозяйственной и военной деятельности непрерывно растет.

История создания глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS развивались по внешне схожим сценариям. В настоящее время глобальное навигационное поле поддерживается в основном с помощью многоспутниковых навигационных систем GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия).

Идея практического создания СНС возникла с запуска в СССР в октябре 1957 г. первого в мире ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ (ИСЗ). С этого события началась эра практического освоения космоса. Разработка и создание по заказам военных ведомств спутниковых навигационных систем первого поколения началась одновременно в СССР (СНС «Циклон») и в США («Транзит»). Эти системы являлись околополярными низкоорбитными (высота 1700 км, период обращения 105 минут). Они обладали практически одинаковыми техническими и эксплуатационными характеристиками, подтвержденными в период 20-летней опыт. -росшие требования к СНС обусловили необходимость проведения новых разработок по созданию глобальных СНС как в СССР, так и в США и к 1995 году уже было завершено развертывание этих новых глобальных систем «ГЛОНАСС» и GPS до штатного состава. Однако, схожесть сценариев на этом заканчивается.

В силу известных событий, связанных с переходом России к новым экономи-, -кращение финансирования всей космической отрасли, в том числе и СНС .

.

Рассмотрим СНС НАВСТАР - GPS

Основное назначение спутниковой навигационной системы НАВСТАР - вР8 второго поколения является глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных ( сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что , ( ), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить с высокой точностью параметры своего движения и время.

СНС состоит из космического сегмента, сегмента управления и сегмента по.

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных навигационных космических аппаратов (НКА) и 3 резервных. НКА находятся на 6 круговых орбитах высотой около 20,2 тыс. км (период обращения около 12 ч.), наклонением 55 градусов относительно плоскости экватора и равномерно разнесенных по долготе через 60 град. Высокостабильные , , -низацию их навигационных радиосигналов. Навигационные радиосигналы, излучаемые штатными НКА, образуют в околоземном пространстве радионавигацион-.

непрерывно в пространстве и потребитель в любой точке этого пространства «освещается» радиолучами не менее чем от 4-х НКА, образующих по отношению к нему удовлетворительное по геометрическому фактору созвездие для оперативного определения координат, скорости и времени.

Сегмент управления состоит из сети наземных станций, расположенных по . ( штате Колорадо), пять станций слежения (СС), расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, острове Чагос (Индийский океан) острове Вознесения (Атлант. океан), атолле Диего-Гарсия (архипелаг Чагос в Индийском ), ( .) - ,

, - - -

.

СС расположены сравнительно равномерно по земному шару вблизи экватора, что создает благоприятные условия для наблюдений за НКА. Эти станции принимают сигналы НКА и осуществляют специальные прецизионные измерения дальности до них. Главная станция осуществляет сбор измерений от всех СС и их .

( ) -носферы и поправки бортовых часов каждого НКА. Затем эти данные через станции ввода данных периодически передаются на борт каждого НКА. Производится также мониторинг состояния НКА и управления их работой.

Сегмент потребителей включает НАП и самих ее пользователей. В НАП на объекте принимаются радиосигналы не менее чем от четырех радиовидимых НКА, которые используются для измерения псевдодальностей до НКА. Совместная обработка этих измерений и эфемеридной информации позволяет определить три пространственные координаты объекта, три составляющие вектора его скорости и смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени системы.

, , -онные задачи навигации подвижных объектов. Достигнутый уровень технических и эксплуатационных характеристик СНС вР8 резко раздвинул границы их применения. Как уже было отмечено, что хотя СНС вР8 и создавались в интересах МО ,

. « -» .

ищут возможность извлечения прибыли из военных разработок.. Они создали вокруг СНС вР8 огромный рынок гражданской продукции. Коммерческая поддержка американской системы спутниковой навигации осуществляется за счет постав, .

Американская СНС вР8 хотя и создавалась главным образом в интересах МО ,

.

В различных сферах материальной деятельности человека количество задач, решение которых стало возможным на основе СНС-технологий, необъятно. Даже перечисление их не может быть исчерпывающим, ибо все более глубокое осознание возможностей этих технологий открывает все более широкое поле их приме.

За короткий срок, к концу XX в., СНС вР8 не только стала неотъемлемой частью инфраструктуры США и других промышленно развитых стран мира, но и начала входить в повседневный быт простых граждан этих стран, особенно после появления мобильных телефонов с встроенным СНС-приемником. Возник огромный рынок потребителей СНС-технологий. Уже к 2000 г. СНС вР8 имела миллион потребителей и рынок в 8,5 млрд долларов. Причем доля невоенных потребителей составила более 90% от общего объема рынка. По оценкам экспертов, за счет налогов, поступающих от массовой продажи аппаратуры, услуг и лицензий государственные инвестиции в систему вР8 в объеме порядка 10 млрд долларов уже к 2005 г. окупились полностью. Министр финансов США отметил,, что СНС вР8 -единственная программа МО США, которая дает доход.

, , -ные задачи навигации подвижных объектов. Была реализована вековая мечта на-

- : , , -биль, танк и т.д. мог ежесекундно высокоточно знать свое местоположение в любой точке земного шара в любое время суток и при любой погоде. Т.о. отпала необходимость для навигационного счисления пути иметь приборы курсоуказания и измерения пройденного расстояния и скорости.

Наличие в СНС-приемнике процессора дало возможность помимо решения основной задачи решать большой ряд сервисных задач ( вычислять расстояние и курс до очередной поворотной точки маршрута или любой другой заданной точки, время до прихода в точку, отклонение от маршрута и многое другое) автоматически, мгновенно, безошибочно, одним нажатием клавиши переходить из одной системы координат в другую и т.д. Это освободило навигатора от рутинной расчетно-, -. - , обучения и работы навигатора вызвали у некоторых ретроградов опасение, что многотрудное искусство навигации может деградировать. Но фактически СНС, особенно в сочетании с электронной картой и средствами ее отображения, радикально изменила работу навигатора.

Рассмотрим особенности разработки и создания СНС в СССР - России.

Как всегда в России идеи рождаются значительно раньше, чем в других странах, а с практической реализацией получаются задержки. Так. еще в 1956 году, когда еще достраивался полигон Байконур и еще не был запущен первый ИСЗ, 2 (

) ( -9 )

в 1956 году сформулировал тему своей работы над диссертацией: «Определение

».

.

срокам. Если в США начали создание СНС на доплеровском принципе, то у нас работы были развернуты по трем направлениям: допплер, дальномер и угломер. Была создана и проходила опытную эксплуатацию аппаратура для указанных трех « ». -водить этими работами в двух океанских экспедициях в Атлантическом океане ( по пол-года каждая) на этом судне в 1971-1972 годах и на атомной ракетной подводной лодке проекта 667-БДР в Баренцевом море в 1975-76 г.

« » « » ,

1700 105 , -

биты к плоскости экватора 83 градуса. На орбитах работали от 4 до 6 спутников. Дискретность определения была низкой (от 40 мин до 1,5 часа в зависимости от

).

Среднеорбитная глобальная навигационная система ГЛОНАСС, как и СНС вР8 имеет аналогичные параметры орбиты: высота около 20000 км, период обра-12 , 65

( у вР8 этот параметр - 55 град). Основой системы ГЛОНАСС должны являться 24 спутника. Принцип измерений аналогичен американской системе вР8.

Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в экс. 1995 . 24 .

Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока , .

В августе 2001 г. была принята федеральная целевая программа «Глобальная »,

2008 ,

2010 .

2007, 2008 2009 6 - -

18 - , 2009 -

24 .

2008 -бальной навигационной системе, заседавшей в Российском НИИ космического

,

. ,

системой станет возможно пользоваться\ уже к 31 декабря 2008 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, из которых некоторые успели выра-

. , 2007

году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен ( на орбиту вышли ), 27 2008

16 . 25 2008

доведено до 18 спутников.

29 2009 , , -

ственный транспорт в массовом порядке будет оснащен системой ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-приемники производства компании «М2М » 250 .

Разработчик и изготовитель спутников ОАО «ИСС» имени академика М.Ф ( 2008 ), , .

При неполной штатной численности спутников по взаимному интересу сторон (Томас Стенселл) была разработаны программы совместного приема и обработки сигналов ГЛОНАСС и GPS и выпускается аппаратура потребителя, позволяющая производить навигационные определения по одновременно принятой информации этих двух систем. В этом случае достигается покрытие всего глобального навигационного поля информацией спутников указанных систем и повышен. , совместное использование ГЛОНАСС и GPS, поступили в продажу в декабре 2007 года. Первым приемником, рассчитанным на работу с американской и российской навигационными системами, был профессиональный прибор компании Ashtech, 1999 .

-24, -

- , -

вы ми картами поручено разработать Роскартографии. По сообщению РИА «Новости» от 20 мая 2008 года, важная проблема ГЛОНАСС состоит в нехватке цифро, -

, , , именно на эту часть программы - на создание цифровых карт.

В России навигационную аппаратуру СНС выпускают порядка 10 предпри-

, « », « », « » »

.

Смешанная ГЛОНАСС/GPS аппаратура профессионального уровня изготавливается многими производителями, в том числе зарубежными фирмами Topcon, Trimble, Septentrio, NovAtel.

В целях реализации Постановления Правительства РФ от 25.08.08 № 641 «Об оснащении транспортных , технических средств и систем аппаратурой СНС

/GPS -

ратуру СНС ГАЛС-М1 и ГАЛССИАДА-А1, которой уже сегодня могут быть оснащены многие виды военной и специальной техники ВС РФ..

Для декодирования сигналов ГЛОНАСС разработана плата, но пока не микросхема, что увеличивает габариты, энергопотребление и цену устройства. Разработка микрочипа могла бы улучшить эти параметры и сравнить их с приемником GPS, .

Точнось навигации

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстает от аналогичных показателей для GPS.

12 2009

составляла около 10 метров, а американской, с дифференциальным измерением координат, порядка 5 метров (до 3 метров с системой повышения точности WAAS).

Однако по заявлению главы Роскосмоса Анатолия Перминова, принимаются

. 2010

должна возрасти до 5,5 метров, а к 2011 году до 2,8 метров. Среди мер по повышению точности российской системы обычно называются пополнение орбитальной , -ников на более совершенные ГЛОНАСС-М и ГЛОНАСС-К.

При этом использование обоих навигационных систем уже сейчас дает существенный прирост точности. Европейский проект. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, дает точность определения координат на территории Европы на уровне 1 - 3 метра.

Планируемые области применения СНС-технологий в России:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

GPS .

внимательно изучается другими развитыми странами. Страны Европейского союза разрабатывают и планируют в ближайшее время ввести в строй независимую СНС Galileo. Япония успешно запустила два геостационарных (высота орбиты 36000 км) навигационных спутника своей широкозонной подсистемы MSAS. Три навигационных спутник вывела на геостационарную орбиту КНР.

В обозримом будущем СНС представляются наиболее эффективным средст-

- -

.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. . ., . ., . .

навигации. Ленинград: Изд-во «Судостроение», 1983. - 270 С.

2. . ., . . . « -

порт», Москва, 1988. - 197 С.

3. . ., . ., . . -

ная система: применение в вооруженных силах США. ЦКП ВМФ, Санкт-

, 2006. - 206 .

4. Навигационная морская политика России. Изд-во «Петровский двор», ООО « - 1». -

. - -ции, состоявшейся в Москве 30 марта 1999 г. 2000. - 450 С.

Мордвинов Баррикаде Георгиевич

Институт океанологии имю П. П. Ширшова, РАН E-mail: [email protected]

127490, Россия, Москва, ул.Декабристов 43, кв. 24, тел.: 403 71 94

Mordvinov Barricado Georgievich

P.P. Shirshov Institute of Oceanology, PAS E-mail: [email protected]

Art. 24, 43, Dekabristov Str., Moscow, 127490, Russia, ph.: 403 71 94