Спутниковые системы навигации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Спутниковая система навигации -- комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

· Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

· Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

· Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемая для определения координат;

· Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.

· Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел -- мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами. [1]



1. GPS

GPS (англ. Global Positioning System -- система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) -- спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования системы -- определение местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников антенной потребителя. Для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на разность моментов приема сигнала потребителя и момента его синхронного излучения от спутников»:

.

Здесь: a_i -- местоположение i-го спутника, -- момент времени приема сигнала от i-го спутника по часам потребителя, -- неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя, c -- скорость света, x-- неизвестное трехмерное положение потребителя.

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г., а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Первоначально GPS -- глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза из-за дезориентации экипажа в пространстве самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности отменил своим указом президент США Билл Клинтон.

GPS состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Спутники GPS транслируют сигнал из космоса, и все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трём координатам в режиме реального времени.

Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.

Управляющий сегмент представляет собой главную управляющую станцию и несколько дополнительных станций, а также наземные антенны и станции мониторинга, ресурсы некоторых из упомянутых являются общими с другими проектами.

Пользовательский сегмент представлен тысячами приемников GPS, находящихся в ведении военных США и десятками миллионов устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.

Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20 200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.

Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1 = 1,57542 ГГц и L2 = 1,22760 ГГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5 = 1,17645 ГГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.

Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код -- модуляция BPSK(1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа -- SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами Galileo L1.

Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y)-кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Ещё одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.

C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1,17645 ГГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.

Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A-код и P-код. C/A (Clear access) -- общедоступный код -- представляет собой PRN с периодом повторения 10²³ цикла и частотой следования импульсов 1,023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS-приемники. P (Protected/precise)-код используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2*10¹⁴ циклов. Сигналы, модулированные P-кодом, передаются на двух частотах: L1 = 1,57542 ГГц и L2 = 1,2276 ГГц. C/A-код передается лишь на частоте L1. Несущая, помимо PRN-кодов модулируется также навигационным сообщением.

24 спутника обеспечивают полную работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).

Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Источник погрешности	Среднеквадратичное значение погрешности, м
Нестабильность работы генератора	6,5
Задержка в бортовой аппаратуре	1,0
Неопределенность пространственного положения спутника	2,0
Другие погрешности космического сегмента	1,0
Ионосферная задержка	4,5
Тропосферная задержка	3,9
Шумовая ошибка приемника	2,9
Неточность эфемерид (координаты искусственных спутников Земли)	8,2
Другие погрешности наземного сегмента	1,8
Многолучевость	2,4
Другие ошибки сегмента пользователя	1,0
Суммарная погрешность	13,1

спутниковый система навигация

Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.

Коэффициент корреляции погрешностей двух рядом стоящих GPS приёмников(при работе в кодовом режиме) составляет 0,15--0,4 в зависимости от соотношения сигнал/шум. Чем больше соотношение сигнал/шум, тем больше корреляция. При затенении части спутников и переотражении сигнала корреляция может падать вплоть до нуля и даже отрицательных величин. Также коэффициент корреляции погрешностей зависит от геометрического фактора. При PDOP < 1,5 корреляция может достигать значения 0,7. Так как погрешность GPS складывается из многих составляющих, она не может быть представлена в виде нормального белого шума. По форме распределения погрешность есть сумма нормальной погрешности, взятой с коэффициентом 0,6--0,8 и погрешности, имеющей распределение Лапласа с коэффициентом 0,2--0,4. Автокорреляция суммарной погрешности GPS падает до значения 0,5 в течение приблизительно 10 секунд.

Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 6--8 метров при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции. На территории США, Канады, Японии, КНР, Европейского Союза и Индии имеются станции WAAS, EGNOS, MSAS и т. д. передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1--2 метров на территории этих стран. При использовании более сложных дифференциальных режимов, точность определения координат можно довести до 10 см. Точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.

В ближайшее время все аппараты нынешнего стандарта GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.

Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с погрешностью не более 60--90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для владельцев GPS-навигаторов.

На сентябрь 2013 года на орбиту выведены первые четыре спутника из новой версии: GPS IIF SV-1 (запущен 28 мая 2010 года), GPS IIF-2 (запущен 16 июля 2011 года), GPS IIF-3 (запущен 4 октября 2012 года), GPS IIF-4 (запущен 15 мая 2013 года).

Всего первоначальный контракт предусматривал запуск 33 спутников GPS нового поколения, но потом из-за технических проблем начало запуска перенесли с 2006 года на 2010 год, а количество спутников уменьшили с 33 до 12. Все они будут выведены на орбиту в ближайшее время.

Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря использованию более точных атомных часов. Поскольку спутники перемещаются со скоростью около 14 000 км/ч (3,874 км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для трилатерации. Однако, даже точности в 10 см недостаточно для ряда задач по геодезии, в частности, для привязки к местности границ смежных земельных участков. При ошибке в 10 см площадь участка в 600 кв.м. может уменьшиться или увеличиться на 10 кв.м. А при последовательной привязке 1000 участков границы последнего сдвинутся на 100 метров. Подобная картина, к сожалению, уже имеет место на практике.

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь, либо преднамеренно создаваемые «глушилками» (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками).

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США.

Теперь Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, которые разработаны и произведены компаниями Lockheed Martin и Boeing. Утверждается, что они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра.

Реализация данной программы займёт некоторое время. В Министерстве обороны США утверждают, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. Количество спутников изменено не будет, их по-прежнему будет 30: 24 работающих и 6 резервных. [2]



2. ГЛОНАСС

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАмСС, GLONASS) -- советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации.

ГЛОНАСС предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.

Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» («Российские космические системы»). Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом постановлением Правительства РФ в июле 2009 года был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы».

Официально начало работ по созданию ГЛОНАСС было положено в декабре 1976 года специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Данный проект являлся продолжением развития отечественной навигационной спутниковой системы, начатой программой «Циклон».

Сроки работ по созданию системы неоднократно сдвигались, первые лётные испытания были начаты 12 октября 1982 года запуском на орбиту первого спутника «Ураган» 11Ф654 и двух массогабаритных макетов 11Ф654ГВМ. В последующих шести запусках на орбиту выводились по два штатных аппарата и одному макету. Применение макетов являлось следствием неготовности электронной части спутников. Только 16 сентября 1986 года с восьмого по счёту запуска были выведены сразу три штатных аппарата. Два раза в 1989 году вместе с двумя спутниками «Ураган» на орбиту выводились пассивные геодезические аппараты «Эталон», которые использовались для уточнения параметров гравитационного поля и его влияния на орбиты КА «Ураган». 4 апреля 1991 года в составе ГЛОНАСС в двух орбитальных плоскостях оказалось одновременно 12 работоспособных спутников системы, и 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. После чего стали проводиться запуски в третью орбитальную плоскость. 14 декабря 1995 года после 27-го запуска «Протона-К» с «Ураганами» спутниковая группировка была развернута до штатного состава -- 24 спутника.

Всего с октября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 КА «Ураган» и 8 массогабаритных макетов. В период развертывания системы 6 «Ураганов» оказались утерянными из-за отказов разгонного блока 11С861. Согласно оценкам, проведённым в 1997 году, на развёртывание ГЛОНАСС было потрачено около 2,5 млрд. долларов.

В дальнейшем вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 году до 6.

В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников -- таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата.

В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС), заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС. Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, некоторые из которых успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. 25 декабря 2008 года количество было доведено до 18 спутников.

На совете главных конструкторов ГЛОНАСС план развёртывания системы был скорректирован с той целью, чтобы на территории России система ГЛОНАСС заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года. Прежние планы предполагали запуск на орбиту двух троек новых спутников «Глонасс-М» в сентябре и в декабре 2008 года; однако в марте 2008 года сроки изготовления спутников и ракет были пересмотрены, чтобы ввести все спутники в эксплуатацию до конца года. Предполагалось, что запуски состоятся раньше на два месяца и система до конца года в России заработает. Планы были реализованы в срок.

29 января 2009 года было объявлено, что первым городом страны, где общественный транспорт в массовом порядке будет оснащён системой спутникового мониторинга на базе ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-оборудование производства компании «М2М телематика» было установлено на 250 сочинских автобусах.

В ноябре 2009 года было объявлено, что Украинский научно-исследовательский институт радиотехнических измерений (Харьков) и Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (Москва) создадут совместное предприятие. Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС.

15 декабря 2009 года на встрече премьер-министра России Владимира Путина с главой Роскосмоса Анатолием Перминовым было заявлено, что развёртывание ГЛОНАСС будет окончено к концу 2010 года.

К 30 марта 2010 года количество работающих КА было доведено до 21 (плюс 2 резервных КА).

С переходом на спутники «Глонасс-К» точность системы ГЛОНАСС станет сопоставимой с точностью американской навигационной системы NAVSTAR GPS -- единственной зарубежной развернутой навигационной системой.

2 сентября 2010 года группировка спутников пополнена ещё тремя спутниками и общее количество спутников в группировке доведено до 26.

3 октября 2011 года успешно выведен на орбиту ещё один спутник. Общее количество на орбите -- 27

4 ноября 2011 с помощью ракеты-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» были выведены на опорную орбиту 3 КА «Глонасс-М».

28 ноября 2011 года с космодрома Плесецк выполнен успешный пуск ракеты-носителя «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» и КА «Глонасс-М». В 15:57 МСК спутник успешно выведен на целевую орбиту.

С 2012 до 2020 года на развитие ГЛОНАСC из бюджета РФ выделено 320 миллиардов рублей. В этот период планируется изготовить 15 спутников «Глонасс-М» и 22 «Глонасс-К».

Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19100 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развёрнута в трех орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316--500 Вт (EIRP 25-27 dBW).

Для определения координат приёмник должен принимать сигнал как минимум четырёх спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трех спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приемника.

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

Согласно данным СДКМ на 18 сентября 2012 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p = 0,95) по долготе и широте составляли 3--6 м при использовании в среднем 7--8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2--4 м при использовании в среднем 6--11 КА (в зависимости от точки приёма).

При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2--3 м при использовании в среднем 14--19 КА (в зависимости от точки приёма).

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 м, но после перевода в рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч» точность навигационного сигнала ГЛОНАСС возрастёт до одного метра (ранее система определяла местонахождение объекта лишь с точностью до 5 м).

К 2015 г. планируется увеличить точность позиционирования до 1,4 метра, к 2020 году -- до 0,6 метра с дальнейшим доведением до 10 см.

Россия начала работы по размещению станций системы дифференциальной коррекции и мониторинга для повышения точности и надёжности работы навигационной системы ГЛОНАСС за рубежом. Первая зарубежная станция была построена и успешно функционирует в Антарктиде, это станция «Беллинсгаузен». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России, одну станцию в Антарктиде и одну в Бразилии. Развитие системы предусматривает развёртывание восьми дополнительных станций на территории России и нескольких станций за рубежом (дополнительные станции будут размещены в таких странах, как Куба, Вьетнам, Австралия, ещё две в Бразилии, и ещё одна дополнительная будет размещена в Антарктиде).

При этом использование обеих навигационных систем уже сейчас даёт существенный прирост точности. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, даёт точность определения координат на территории Европы на уровне 1,5--3 метров. [3]



3. Galileo

Галилео (Galileo) -- совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства, является частью транспортного проекта Трансевропейские сети (англ. Trans-European Networks). Система предназначена для решения геодезических и навигационных задач. Ныне существующие GPS-приёмники не смогут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео (кроме приемников компаний Altus Positioning Systems, Septentrio, JAVAD GNSS и российских приемников ФАЗА+), хотя достигнута договорённость о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Финансирование проекта будет осуществляться в том числе за счёт продажи лицензий производителям приёмников.

Помимо стран Европейского союза в проекте участвуют: Китай, Израиль, Южная Корея, Украина и Россия. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2014--2016 годах, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников, начиная с 2010 года. Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.

В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Разработку системы осуществляет Европейское космическое агентство. Общие затраты оцениваются в 4,9 млрд евро.

Спутники «Галилео» будут выводиться на орбиты высотой 23 222 км (или 29 600,318 км от центра Земли), проходя один виток за 14 ч 4 мин и 42 с и обращаясь в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечит одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Временнамя погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. За счёт более высокой, чем у спутников GPS орбиты, на широте Полярного круга будет обеспечена точность до одного метра.

Каждый аппарат «Галилео» весит около 700 кг, его габариты со сложенными солнечными батареями составляют 3,02Ч1,58Ч1,59 м, а с развёрнутыми -- 2,74Ч14,5Ч1,59 м, энергообеспечение равно 1420 Вт на солнце и 1355 Вт в тени. Расчетный срок эксплуатации спутника превышает 12 лет.

Антонио Тайани, вице-президент Еврокомиссии, ответственный за вопросы промышленности и предпринимательства, заявил на брифинге в Страсбурге, что по состоянию на 19 января 2011 года, для завершения системы спутниковой навигации Galileo необходимо 1,9 млрд евро.

3.1 Этапы проекта

Первый этап.

Первая фаза -- планирование и определения задач стоимостью в 100 млн евро, второй этап состоит в запуске двух опытных спутников и развития инфраструктуры (наземных станций для них) стоимостью 1,5 млрд евро.

Первый опытный спутник системы Галилео был доставлен на космодром Байконур 30 ноября 2005 года. 28 декабря 2005 года в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат GIOVE-A был выведен на расчётную орбиту высотой 23 222 км с наклонением 56°. Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина -- 1,2 м, диаметр -- 1,1 м. Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспериментирования, которое и было успешно завершено примерно в расчётные сроки. Передача сигналов по состоянию на апрель 2009 года ещё продолжалась.

Второй этап.

Второй опытный спутник системы Галилео GIOVE-B был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача GIOVE-B состоит в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам. GIOVE-B -- первый спутник, в котором в качестве часов используется водородный мазер. GIOVE-B способен передавать несколько модификаций дальномерного кода открытой службы на частоте L1 (модуляции BOC(1,1), CBOC, TMBOC), из которых предполагается выбрать одну для дальнейшего постоянного использования.

Оба спутника GIOVE предназначены для проведения испытаний аппаратуры и исследования характеристик сигналов. Для систематического сбора данных измерений усилиями ЕКА была создана всемирная сеть наземных станций слежения, оборудованных приёмниками, разработанными в компании Septentrio.

Третий этап.

Третий этап состоит в выводе на орбиты четырёх спутников Galileo IOV (in-orbit validation), которые, будучи запущенными парами (два 20 октября 2011 года и ещё два в октябре 2012 года), создали первое мини-созвездие Galileo. Запуски состоялись с помощью ракеты «Союз-СТБ» с космодрома в Куру. Первые четыре спутника строятся партнерством EADS Astrium-Thales Alenia Space. Спутники будут расположены на круговых орбитах на высоте 23 222 км.

10 декабря 2011 года Galileo передала на Землю первый тестовый навигационный сигнал -- два спутника, выведенные на орбиту в октябре российским «Союзом», успешно включили свои передатчики. Специалисты Galileo включили главную антенну L-диапазона (1,2-1,6 гигагерца), с которой был передан первый для Galileo навигационный сигнал, его мощность и форма соответствовала всем спецификациям, а также совместима с американской системой GPS. 12 октября 2012 года, были запущены на орбиту ещё 2 спутника проекта Galileo, стало возможным первое позиционирование из космоса, так как для него необходимо по крайней мере четыре спутника. С каждым следующим выводом новых спутников точность позиционирования будет повышаться.4 декабря 2012 третий спутник Galileo передал на Землю первый тестовый навигационный сигнал, то есть на всех частотах полноценно функционируют уже три спутника Galileo.

Тестовая фаза проекта Галилео произошла 12 марта 2013 года. Это первое определение долготы, широты и высоты над уровнем моря с помощью Галилео. Эксперимент состоялся в навигационной лаборатории технического сердца проекта- ЕКА ESTEC, в Нордвейк, Нидерланды, утром 12 марта с ожидаемой точностью навигации от 10 до 15 метров. Для этого пришлось с максимальной точностью расположить четыре первых спутника на орбите, но пока позиционирование возможно в течение максимум двух-трех часов в день.

Создание наземного сегмента: трёх центров управления (GCC), пяти станций контроля за спутниковой группировкой (TTC), 30 контрольных приёмных станций (GSS), 9 ап-линк станций (ULS) для актуализации излучаемых сигналов.

В целом, наземный сегмент Галилео для фазы орбитальной проверки (ФОП) будет включать 18 сенсорных станций, 5 аплинковых, 2 блока телеметрии, трекинга и команд, а также 2 центра управления Галилео (ЦУГ). Центры управления будут расположены в Фучино (Италия) и Оберпфаффенхофене (Германия). Данный, собранные сенсорными станциями будут передаваться в ЦУГи, где они будут обработаны управлением миссии для того, чтобы определить данные, которые в дальнейшем будут отправлены обратно на спутники через аплинковые станции. Способность системы Галилео напрямую информировать пользователей об уровне целостности сигнала представляет основное существенное отличие от других систем спутниковой навигации.

Пресс-служба Европейского космического агентства ESA сообщила, что 27 января 2010 года в Европейском центре космических исследований и технологий в городе Нордвейк (Нидерланды) состоялась церемония подписания первых трёх контрактов, обеспечивающих полномасштабное развёртывание группировки Galileo.

Вывод на орбиту спутниковой группировки. Компания Thales Alenia Space (Италия) обеспечит системную подготовку Galileo, компания OHB-System AG (Германия) произведёт (совместно с британской SSTL) спутников первой очереди системы. Первый спутник должен быть готов к июлю 2012 года, впоследствии каждые три месяца должны поставляться очередные два аппарата, объём заказа составляет 566 млн. евро.

Первые виды услуг должны быть представлены в 2014 году, все виды служб -- не раньше 2016 года. Общая стоимость проекта на данном этапе -- 3,4 млрд. евро.

Всемирная сеть станций Galileo будет контролироваться Центром управления, находящимся в Фучино (Италия). Поправки в сигнал определения координат спутниками будут вноситься через каждые 100 минут или даже меньше.

Уже смонтированы и готовы к работе станции слежения и корректировки точности спутникового сигнала в итальянском Фучино, в Куру Французской Гвианы, в норвежском Шпицбергене. А также в антарктическом Тролле, на островах Реюньон и Кергелен в Индийском океане, в Новой Каледонии Тихого океана. Все они связаны с двумя центрами управления Galileo: Фучино отвечает за навигационные услуги, тестирование и сдачу GMAT, а Оберпфаффенхофен отвечает за спутники. Некоторые из построенных станций в Швеции (Кируна) и на Французской Гвиане (Куру) уже используются для мониторинга первых спутников Galileo, запущенных в октябре 2011 года.

Четвертый этап.

Четвёртый этап проекта будет запущен предположительно с 2014 года, стоимость -- 220 млн. евро в год. Возможно, лицензия на эксплуатацию будет передана частным компаниям.

К 2015 году на орбиту будут выведены ещё 14 спутников, остальные -- к 2020 году.

После завершения развертывания группировки, спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюса, 90%-ю вероятность одновременного приема сигнала от четырёх спутников. В большинстве мест на планете одновременно в зоне прямой видимости будут находиться шесть спутников Galileo, что позволит определить местоположение с точностью до одного метра. Для максимальной синхронизации спутники Galileo оснащены сверхточными атомными часами на рубидии-87 с максимальной ошибкой до одной секунды за три миллиона лет, а это значит, что соответствующая навигационная неточность не должна превышать 30 см, при одновременном приема сигнала от восьми - десяти спутников.[4]



4. Beidou

Навигационная система «Beidou» или Спутниковая навигационная система «Бэйдоу» (сокращенно -- BD) -- китайская спутниковая система навигации. На 26 октября 2012 года включает в себя 16 спутников, расположенных на геостационарной орбите и обеспечивала определение географических координат в Китае и на соседних территориях. Планируется, что космический сегмент навигационной спутниковой системы Бэйдоу будет состоять из 5 спутников на ГСО и 30 спутников на орбитах, отличных от ГСО.

Система была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет к 2020 году. Китайские представители также отметили, что еще предстоит урегулировать вопросы, касающиеся частотных диапазонов, с российской, американской и европейской сторонами, которые также владеют спутниковыми навигационными группировками. А пока китайская система работает на частоте сигнала B1, также отмеченном Евросоюзом как E2, с частотой 1559,052-1591,788 МГц. Обе стороны до сих пор не достигли окончательной договоренности по вопросам совместимости своих будущих спутниковых навигационных систем, несмотря на продолжающиеся с 2009 года переговоры по вопросу наложения специальных сигналов системы Compass на специальные сигналы PRS системы Galileo (диапазон L1, центральная частота 1575,42 МГц).

Предположительные будущие частоты B2: 1166,22 - 1217,37 МГц, B3: 1250,618 - 1286,423 МГц.

Слово «Бэйдоу» (кит. упр. –k“l) в переводе означает «Северный Ковш», это -- китайское название созвездия Большой Медведицы. Название «Бэйдоу» используется как для системы «Бэйдоу-1» так и для системы второго поколения «Бэйдоу-2». Главный конструктор обеих систем -- Сунь Цзядун.

Китайское национальное космическое управление планирует развернуть навигационную систему «Бэйдоу» в три этапа.

1) 2000--2003: Экспериментальная система Бэйдоу из трёх спутников.

2) к 2012 году: Региональная система для покрытия территории Китая и прилегающий территорий.

3) к 2020 году: Глобальная навигационная система.

Первый спутник, «Бэйдоу-1А» был запущен 30 октября 2000. Второй «Бэйдоу-1B» 20 декабря 2000. Третий спутник «Бэйдоу-1C» отправлен на орбиту 25 мая 2003 как подстраховочный. Система считалась введенной в эксплуатацию с успешного запуска третьего спутника.

2 ноября 2006, Китай заявил, что с 2008 года Бэйдоу будет предлагать открытые услуги с точностью определения местоположения 10 метров. Частота системы «Бэйдоу»: 2491.75 МГц.

27 февраля 2007 года, был также запущен четвертый спутник в рамках «Бэйдоу-1», называемый иногда «Бэйдоу-D» а иногда «Бэйдоу-2А». Он выполняет функции подстраховки. Сообщалось, что у спутника были неполадки в системе управления, но впоследствии они были устранены.

В апреле 2007, успешно выведен на орбиту первый спутник группировки «Бэйдоу-2», названый «Компас-M1». Данный спутник является настроечным для частот Бэйдоу-2. Второй спутник «Компас-G2» запущен 15 апреля 2009. Третий («Компас-G1») запущен на орбиту носителем LM-3C 17 января 2010. Четвертый спутник запущен 2 июня 2010. Носитель LM-3I вывел четвертый спутник с спутниковой площадки в Сичане 1 августа 2010 года.

15 января 2010 запущен официальный сайт спутниковой навигационной системы Бэйдоу.

24 февраля 2011 было развернуто 6 действующих спутников, 4 из них видны в Москве: COMPASS-G3, COMPASS-IGSO1, COMPASS-IGSO2 и COMPASS-M1.

27 декабря 2011 года "Бэйдоу" была запущена в тестовом режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов.

27 декабря 2012 система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников.

По некоторым источникам, в начале 2011 года Госсовет КНР пересмотрел архитектуру системы и внес корректировки в план запусков КА. Было принято решение завершить формирование орбитальной группировки для обслуживания регионального потребителя к началу 2013 года.

I. Согласно откорректированному графику группировка системы Compass/Beidou к началу 2013 году будет включать в себя 14 КА, в том числе: 5 КА на геостационарной орбите ГЕО (58,5 ? в.д., 80 ? в.д., 110,5 ?в.д., 140 ?в.д., 160 ? в.д.); 5 КА на наклонной геосинхронной орбите IGSO(высота 36000 км, наклонение 55 ?, 118 ? в.д.); 4 КА на средней околоземной орбите MEO (высота21500 км, наклонение 55 ?).

II. Развертывание глобальной навигационной системы с группировкой в составе 36 КА в 2020 году (по другим источникам - 35 КА , по третьим - 37 КА) в числе которых: 5 КА на геостационарной орбите; 5 КА на наклонной геосинхронной орбите; 24 КА на средней околоземной орбите 3 КА (расположение уточняется, возможно орбитальный резерв).

Станции слежения оборудованы двухчастотными приемниками UR240 и антеннами UA240, разработанными китайской компанией UNICORE и способными принимать сигналы систем GPS и Compass. 7 из них размещены в Китае: в Чэнду (CHDU), Харбине (HRBN), Гонконге (HKTU), Лхасе (LASA), Шанхае (SHA1), Ухане (CENT) и Сиане (XIAN); и еще 5 -- в Сингапуре (SIGP), Австралии (PETH), ОАЭ (DHAB), Европе (LEID) и Африке (JOHA).

Навигатор в китайской системе является не только приемником, но и передатчиком сигнала. Станция мониторинга через два спутника посылает сигнал пользователю. Устройство пользователя после получения сигнала посылает ответный сигнал через оба спутника. Наземная станция по задержке сигнала рассчитывает географические координаты пользователя, определяет высоту по имеющейся базе данных и передает сигналы на устройство пользовательского сегмента. [5]



5. IRNSS

IRNSS (англ. Indian Regional Navigation Satellite System) -- индийская региональная спутниковая система навигации, проект которой был принят к реализации правительством Индии. Разработка осуществляется Индийской организацией космических исследований (ISRO). Система будет обеспечивать только региональное покрытие самой Индии и частей сопредельных государств.

Общее количество спутников системы IRNSS: 7.

Проектная дата завершения работ: 2015 год.

Спутниковая группировка IRNSS должна состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах на высоте около 24 000 км в апогее. Причем четыре спутника из семи в IRNSS будут размещены на орбите с наклонением в 29° по отношению к экваториальной плоскости. Все семь спутников будут иметь непрерывную радиовидимость с Индийскими управляющими станциями.

Спутники IRNSS будут использовать платформу, подобную той, которая используется на метеорологическом спутнике Kalpana-1 с массой 1330 кг и мощностью солнечных батарей 1400 Вт. Полезная нагрузка будет включать два 40 Вт твердотельных усилителя.

Земной сегмент IRNSS будет иметь станцию мониторинга, станцию резервирования, станцию контроля и управления бортовыми системами. Государственная компания ISRO является ответственной за развертывание IRNSS, которая будет находиться целиком под контролем Индийского правительства. Навигационные приемники, которые будут принимать сигналы IRNSS, также будут разрабатываться и выпускаться индийскими компаниями.

IRNSS предполагает определение координат местонахождения объекта с точностью порядка 20 метров для региона Индийского океана (около 1500 км вокруг Индии) и менее 10 метров - непосредственно по Индии и территориям сопредельных государств, охваченным данной системой навигации.

Правительство Индии 9 мая 2006 одобрило проект развертывания Индийской Спутниковой Региональной Системы Навигации (IRNSS) с бюджетом 14,2 миллиарда рупий в течение следующих 6-7 лет. Позже стоимость всего проекта оценивалась в 16 миллиардов рупий (около 290 миллионов долларов США).

В 2012 году для индийской системы были заказаны рубидиевые часы.

Первоначально планировалось, что спутники будут запускаться с 2012-го по 2014 год, а окончательный ввод системы в эксплуатацию произойдёт к 2015 году. Затем начало запусков было перенесено со второй половины 2012 года на май 2013 года.

В конце мая 2013 года стало известно, что запуск первого спутника IRNSS-1A ракета-носителем PSLV-C22 запланирован на 12 июня 2013 года с космодрома на острове Шрихарикота в Бенгальском заливе, однако впоследствии был отложен из-за выявленных несоответствий при проведении электрических испытаний. Спутник был успешно выведен на орбиту 1 июля 2013 года и уже успешно передает сигналы на Землю. [6]



Заключение

В заключение обзора навигационных спутниковых систем приведена сравнительная таблица, в которой выше указанные пять систем сравниваются по четырем основным признакам.

Сравнение спутниковых навигационных систем

	GPS	Глонасс	Galileo	Beidou	IRNSS
Отличительные особенности построения	Высота орбиты - 20200 км, Наклонение - 55? Кол-во спутников - 30 Число плоскостей - 6	Высота орбиты - 19100 км, Наклонение -64,8? Кол-во спутников - 24 Число плоскостей - 3	Высота орбиты - 23222 км, Наклонение - 56? Кол-во спутников - 30 Число плоскостей - 3	Высота орбиты - 36000/21500 км Наклонение - 55? Кол-во спутников - 36	Высота орбиты - 24000 км, Наклонение - 29? Кол-во спутников - 7
Технические характеристики	Точность - 0,1 - 1 м Скорость передачи - 50 бит/с	Точность - 1 м Скорость передачи - 50 бит/с	Точность - 0,3 - 1 м	Точность - 10 м	Точность - 10-20 м
Диапазоны / количество несущих частот	L1 = 1,57542 ГГц L2 = 1,22760 ГГц L5 = 1,17645 ГГц.	L1 = 1602.5625. - 1615.5 МГц L2 = 1246.4375. ..1256.5МГц	L 1,2 - 1,6 ГГц	E2(В1) = 1559,052-1591,788 МГц	--
Состояние развертывания системы	Работает с 1993 года	Работает с 1995 года	Проектная дата завершения работ - 2014 - 2016 год	Проектная дата завершения работ - 2020 год	Проектная дата завершения работ - 2015 год



Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_система_навигации

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/ГЛОНАСС

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Галилео_(спутниковая_навигация)

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Бэйдоу

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/IRNSS

Размещено на Allbest.ru

...