Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др.
Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам:
Доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения.
Целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее.
Непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.
Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зо-не аэродрома и некатегорированном заходе на посадку не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС потребителями.
В СНС ГЛОНАСС и GPS высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов:
Космического сегмента;
Сегмента управления;
Сегмента потребителей.
Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS) и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы наземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п.
Основу концепции СНС ГЛОНАСС и GPS составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение искомых навигационных данмирудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя весьма компактным и экономичным.
Космический сегмент.
Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3 - 5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть.
Основное значение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭМВ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.
Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационых параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппаратурой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.
Дальномерная составляющая содержит компоненты стандартной и высокой точности. Стандартная точность измерений доступна всем потребителям, а высокая - только авторизованным, т.е. имеющим разрешение военных контролирующих органов. Разграничение доступа достигается путем кодирования сигналов высокой точности.
В условиях военных действий возможны попытки как постановки преднамеренных помех с целью подавления сигнала СНС (джаминг), так и попытки навязывания (спуфинг), т.е. подмены сигнала и ввода в приемную аппаратуру противника заведомо ложной информации при помощи сторонних передатчиков. Поскольку в литературе весьма редко встречается четкое толкование термина «антиспуфинг» применительно к СНС, следует особо подчеркнуть, что речь идет именно о защите от навязывания.
Сегмент управления.
Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции ста-раются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитически-ми факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной стан-цией. На главной станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА.
Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС.
Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов.
Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени.
Сегмент потребителей.
Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации; гражданские организации; частные лица. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма вычисления оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами.
Определение текущих координат НКА.
Несмотря на некоторое сходство с радиомаячными навигационными системами (беззапросность, дальномерный метод), СНС имеют также и существенные отличия. Координаты радиомаяков неизменны и заранее известны, тогда как координаты НКА необходимо постоянно находить. Определение текущих координат НКА, движущихся с большими непостоянными относительно потребителя скоростями представляет собой сложную техническую и вычислительную задачу.
При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. Контрольно-измерительные станции расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. По результатам доступных наблюдений в вычислительном центре главной командной станции вычисляются параметры орбит НКА. Они подвергаются математической обработке по алгоритмам устранения погрешностей. Затем на основании обработанных данных составляется прогноз параметров орбиты в фиксированные (опросные) моменты времени вплоть до выработки следующего прогноза.
Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Во время сеанса связи эфемериды передаются на НКА, а затем в виде навигационного сообщения, содержащего эфемериды и соответствующие метки времени - потребителям. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты НКА в опорные моменты времени, потребитель может вычислить координаты НКА в произвольный момент времени. Кроме эфемерид в навигационное сообщение закладывается альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС в целом, включая загрубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых НКА и выбора оптимального созвездия.
Общепринятые единицы мер времени.
Рассмотрение принципов построения и функционирования спутниковых навигационных систем невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА к единой шкале времени и т.д.
Принято различать две группы единиц отсчета времени:
Астрономические;
Неастрономические.
Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400сек и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой фиксированной точки отсчета на небесной сфере, для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.
Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками, или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени меридиана.
Местное звездное время измеряется часовым углом положения точки весеннего равноденствия относительно небесного меридиана. Под небесным меридианом понимают проекцию земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах, секундах.
Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движений по конусу - прецессий, и небольших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.
С разработкой в 1960 году атомных часов стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков кодированных сигналов. В 1964 году ВВС США начали разработку и испытания возможностей использования для местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми кодами. В 1973 году программы ВВС были объединены в общую технологическую программу «Навстар-GPS». Но полностью система оказалась развернутой только в 1995 году. Сегодня в составе GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования) находится более 30 искусственных спутников Земли. Около 100 компаний производят 600 типов приемной аппаратуры, которая используется в самых различных отраслях человеческой деятельности: от авиации и транспорта до строительства и земледелия. Мировой рынок продаж продукции, связанной с системой GPS, составляет около $20 млрд.
GPS предназначена для высокоточного определения трех координат места, составляющих векторы скорости и времени различных подвижных объектов. США предоставляют систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Космический сегмент образован орбитальной группировкой из 31 космического аппарата, которые находятся на 6 круговых орбитах высотой около 20 тыс. км. Период обращения космических аппаратов - 12 часов.
СНС ГЛОНАСС
Летные испытания среднеорбитальной отечественной навигационной системы начались в октябре 1982 года запуском спутника «Космос 1413». В 1995 году было завершено развертывание СНС ГЛОНАСС до ее штатного состава - 24 космических аппаратов.
Систему ГЛОНАСС можно по праву назвать достоянием России, так как позволить себе что-либо подобное смогли только две страны мира - США и Россия. К сожалению, российские космические аппараты обладали меньшим временем функционирования на орбите, чем американские, поэтому в условиях слабого финансирования парк спутников системы ГЛОНАСС сократился до 10-12 единиц, притом, что минимально необходимое количество КА на орбите для надежного определения места объектов составляет 18 КА. Дело усугубляло отсутствие доступных широкому потребителю приемников российского производства. В результате США извлекали прибыль из аналогичной системы GPS, а Россия несла убытки. В последние годы ситуация начала меняться к лучшему: на орбиту выводятся российские КА с повышенным сроком службы (7-9 лет); до 2007 года принято решение довести космическую группировку до минимально необходимых 18 КА; налаживается у нас и производство приемной аппаратуры.
Основное назначение СНС второго поколения ГЛОНАСС - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. То есть любой объект (корабль, самолет, автомобиль или просто пешеход) в любом месте приземного пространства в любой момент времени способен всего за несколько секунд определить параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости.
В ГЛОНАСС применяются КА на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью земли. Период обращения КА - 11 часов 15 минут. Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты КА атомных стандартов частоты в системе обеспечивается взаимная синхронизация радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой. На подвижном объекте принимаются сигналы не менее чем от четырех радиовидимых спутников и используется для измерения не менее четырех псевдодальностей и радиальных псевдоскоростей. Результаты измерений и «эфемеридная информация», принятая от каждого КА, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости, а также смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени КА.
8.8.Точность определения координат объектов
Принципиально точность определения координат объектов с помощью СНС GPS и ГЛОНАСС примерно одинакова. Сигналы в системе GPS излучаются на частоте 1227 МГц и 1575 МГц, а ГЛОНАСС - 1250 МГц и 1600 МГц и кодируются для организации так называемого «селективного (избирательного) доступа». Оба сигнала используют два кода. Первый из них в GPS называется «легко обнаруживаемый», а в ГЛОНАСС - «стандартной точности». Второй код в GPS называется «закрытый» (в ГЛОНАСС - «высокой точности») и предназначен для санкционированного использования.
Пытаясь сделать GPS безальтернативной спутниковой навигационной системой для пользователей всего мира, 1 мая 2000 года пресс-служба Белого дома опубликовала заявление о прекращении использования режима селективного доступа к национальной СНС GPS, однако власти США сохранили за собой право по своему усмотрению избирательно восстанавливать его на региональной основе. СКП определения координат объектов с помощью обеих СНС GPS и ГЛОНАСС находится в пределах 5-40 м, СКП измерения скорости - 0,04-0,2 узла, высоты - 8-60 м.
Понятно, что для решения некоторых задач подобная точность не может считаться удовлетворительной, поэтому был внедрен дифференциальный режим функционирования среднеорбитных СНС. Суть этого режима состоит в том, что погрешность определения места с помощью СНС может быть уменьшена до десятков сантиметров путем оперативного измерения и излучения специальных поправок, автоматически принимаемых и учитываемых в аппаратуре потребителя услуг СНС. Измерять поправки целесообразно на стационарных объектах, а расстояние и время доведения их до потребителя не должны превышать 500 км и 20 минут соответственно (из-за так называемого уровня пространственной и временной корреляции). Такими стационарными объектами оказались радиомаяки, расположенные на побережье морей и океанов. Начата установка подобной аппаратуры и в России. Движение по искусственному каналу, ведущему в Санкт-Петербургский порт, обеспечивает дифференциальный режим СНС, поправки к сигналам которой излучаются радиомаяком Шепелевский, расположенным на берегу Финского залива.
В результате применения дифференциального режима СНС появилась принципиальная возможность осуществлять управление любым транспортным средством (от самолета и автомобиля до корабля) оператором, находящимся вне этого средства.
Проект «Галилео»
Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной СНС «Галилео», опирающейся на свои собственные спутники. Предполагается, что она должна быть:
1. независимой от GPS, но взаимодействующей с нею;
2. управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный или частичный контроль над этой системой);
3. более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы;
4. рентабельной;
5. открытой для участия других партнеров, в частности России (в последнее время наше участие в проекте не приветствуется).
Запуск первого КА состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы ожидается в 2008 году. По оценке специалистов, стоимость работ по программе «Галилео» до 2008 года составит $2,5-3 млрд, а ежегодная окупаемость после 2008 года - $150-210 млн.
Планируется, что «Галилео» будет передавать один общедоступный сигнал OAS (Open Access Service - служба открытого доступа) и один или два сигнала с контролируемым доступом CAS (Controlled Access Service - служба контролируемого доступа). Сигнал OAS должен быть эквивалентен GPS и обеспечивать точность порядка 10 м. Эта информация останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS. Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений.
В CAS, в свою очередь, возможны два уровня. CAS-1 будет открыт за плату всем желающим, в то время как CAS-2 станет доступен только правительственным потребителям. Предполагается, что система обеспечит определение места с точностью 3-4м.
На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.
Первые предпосылки
Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.
Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.
На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.
В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.
GPS vs. ГЛОНАСС
В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.
В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.
Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.
Принцип работы GPS
Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).
Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.
Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.
Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.
Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.
Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.
Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.
Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.
Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.
Будущее спутниковой навигации
Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.
Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.
Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.
"ВМ"-02-04
Использование спутниковой навигационной системы
для координатно-временного обеспечения ВС РФ
Генерал-майор В.М. БУРЕНОК, доктор технических наук
Капитан 1 ранга Е.Л. КОРЕПАНОВ
СПУТНИКОВЫЕ навигационные системы (СНС) в настоящее время являются важнейшим средством координатно-временного обеспечения (КВО) видов Вооруженных Сил Российской Федерации и других силовых ведомств. Под КВО целесообразно понимать относительно самостоятельную часть навигационного обеспечения операций (боевых действий), предназначенную для снабжения потребителей информацией об их местоположении, времени и параметрах движения в интересах собственно навигации и других видов обеспечения: разведывательного, топогеодезического, картографического, поисково-спасательного и др.
Исходя из специфики потребителей координатно-временной информации, можно выделить следующие виды КВО, связанные с областями применения: КВО в интересах неподвижных потребителей для получения точных текущих географических координат точки земной поверхности или объекта с целью топопривязки, геодезической съемки местности, картографирования и др.; КВО в интересах подвижных потребителей с целью решения задач навигации морских и речных судов, аэронавигации летательных аппаратов, навигации наземных мобильных средств, а также наведения высокоточных средств поражения воздушного, морского и наземного базирования, выброски воздушных десантов и грузов; КВО в интересах высокодинамичных потребителей с целью решения задач баллистического и эфемеридно-временного обеспечения применения ракет-носителей, разгонных блоков, космических аппаратов, баллистических ракет;
КВО потребителей с целью временной привязки и частотной синхронизации их действий.
В России применение навигационной аппаратуры потребителей (НАП) спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС предусмотрено во всех видах Вооруженных Сил и родах войск, а также практически на всех перспективных образцах вооружения, которые составят основу ударной мощи видов ВС РФ в XXI веке. Можно отметить следующие достоинства использования СНС для обеспечения высокоточного поражения целей и управления войсками: обеспечение высокой точности попадания средств поражения при действиях по стационарным целям с известными координатами независимо от характера местности и времени года, освещенности (времени суток), облачности и видимости (условий погоды), конфигурации цели и ее радиолокационной, тепловой, визуальной и другой контрастности; сокращение продолжительности подготовки удара высокоточным оружием; увеличение дальности стрельбы высокоточными крылатыми ракетами (поскольку отпадает необходимость отклонения от оптимального маршрута для пролета над районами коррекции); возможность согласования с высокой точностью действий космических, воздушных, морских и наземных средств вооруженной борьбы в единой глобальной системе координат и времени и др.
Важным направлением использования НАП СНС ГЛОНАСС является обеспечение траекторных измерений при проведении пусков баллистических ракет, ракет-носителей и разгонных блоков. Использование системы траекторных измерений на базе НАП СНС ГЛОНАСС после подтверждения ее характеристик позволит практически отказаться от наземного комплекса траекторных измерений. При экономии как финансовых затрат, так и кадровых ресурсов это обеспечит глобальность проведения измерений, что немаловажно при осуществлении пусков с морских стартовых позиций и в диапазонах азимутов пусков, не обеспечиваемых измерениями существующими средствами.
Анализ существующей номенклатуры отечественной НАП СНС, используемой для навигационного обеспечения военных потребителей, свидетельствует о наличии ряда проблем в их создании и применении.
Первая - низкие объемы поставок НАЛ СНС, в результате чего реальная оснащенность военных потребителей навигационной аппаратурой составляет единицы процентов, а выпускаемая промышленностью НАП СНС не обеспечивает решение большей части стоящих задач. Особенно острый недостаток в комплектах НАП СНС различной модификации испытывают Сухопутные войска.
Вторая проблема- неудовлетворительные массогабаритные и точностные характеристики НАП СНС. В частности, НАП «Период», применяемая в настоящее время в Сухопутных войсках, имеет массу 16,5 кг, а принятая в 2003 году на вооружение НАП СНС «Грот» (2,1 кг) еще не получила широкого распространения. Применяемая для навигационного обеспечения операций и боевых действий ВВС НАП СНС имеет аналогичные недостатки (пример - одноканальная аппаратура А-724М). Низкоорбитные СНС, используемые в ВМФ, не удовлетворяют требованиям морских потребителей по точности, доступности, целостности и непрерывности навигационного обеспечения. НАП СНС ГЛОНАСС, применяемая в Ракетных войсках стратегического назначения для заблаговременной геодезической подготовки позиционных районов и при испытаниях новых образцов ракетного вооружения, а также в Космических войсках для навигационно-баллистического обеспечения управления космическими аппаратами, имеет недостатки, суть которых состоит в несоответствии требуемых и реально достигнутых характеристик точности и надежности, отсутствии методик использования корректирующей информации для штатного состава аппаратуры и др.
Третья проблема - необходимость ограничения в мирное время доступа к корректирующей информации потребителей, не имеющих на это права, а в ходе операций и боевых действий - для недопущения или снижения эффективности применения средств дифференциальной навигации вероятным противником.
Приемники СНС могут быть использованы для определения координат географических объектов, что в соответствии с Законом РФ «О государственной тайне» относится к секретным сведениям. Формально эксплуатация этой аппаратуры должна быть запрещена для всех физических лиц и разрешена только юридическим лицам, имеющим соответствующую лицензию. Однако указанное ограничение является негативным сдерживающим фактором в использовании СНС гражданскими потребителями. Причем экономические потери России отданного запрета, на наш взгляд, существенно выше возможного ущерба, который может быть нанесен в результате несанкционированного определения координат объектов приемниками СНС физических лиц. Правительство РФ своим постановлением от 29 марта 1999 года поручило федеральным органам исполнительной власти пересмотреть вышеуказанные ограничения, а также выработать меры, предотвращающие возможный ущерб национальной безопасности при использовании физическими лицами на территории страны высокоточных навигационных средств.
Четвертая проблема (пожалуй, наиболее сложная) - технологическое отставание российской промышленности от зарубежной. По ряду архитектурных, программно-математических и схемотехнических решений отечественные разработки превосходят разработки передовых зарубежных стран. Однако технологии микроэлектронного производства отечественной элементной базы с требуемыми топологическими нормами, необходимыми для производства современной и перспективной навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS, в настоящее время отсутствуют.
Разработка сложной в техническом отношении аппаратуры, которой является НАП СНС и аппаратура средств функциональных дополнений, невозможна без использования современных электронных средств и технологий. Применяемые электронные компоненты полностью определяют такие основные характеристики аппаратуры, как габариты, масса, потребляемая мощность.
Главными тенденциями развития навигационной аппаратуры потребителей спутниковых навигационных систем являются микроминиатюризация, снижение энергопотребления и уменьшение стоимости . Основной путь достижения этих целей - использование специализированной элементной базы, в первую очередь специализированных больших интегральных схем (СБИС). Отсутствие необходимой для производства отечественной НАП элементной базы вынуждает производителей закупать ее за рубежом. Применение электрорадиоизделий иностранного производства в отечественных образцах вооружения и военной -техники является вынужденной мерой, обусловленной кризисным состоянием электронной промышленности и ее крупнейшей подотрасли - микроэлектроники. Для упорядочения этого процесса министром обороны в 2001 году была утверждена Инструкция о порядке применения электронных модулей, комплектующих изделий и конструкционных материалов иностранного производства в системах, комплексах, образцах вооружения и военной техники и их составных частях.
Применение электрорадиоизделий иностранного производства в образцах отечественного вооружения и военной техники обусловливает необходимость решения дополнительно трех задач: обеспечения технологической независимости; оценки соответствия требованиям, установленным в комплексе государственных военных стандартов «Климат-7»; обеспечения информационной безопасности.
Наиболее результативные технические решения в области СНС-технологий достигнуты в настоящее время только для системы GPS. Перспективные приемники этой системы построены на базе двух-трех сверхбольших интегральных схем, что позволяет достичь высоких эксплуатационных характеристик и низкой стоимости, а в сочетании с успешным функционированием GPS - и большого рыночного спроса. Существующие приемники сигналов СНС ГЛОНАСС из-за отсутствия соответствующей специализированной элементной базы уступают по энергопотреблению, массогабаритным характеристикам и стоимости приемникам GPS в 3-10 раз.
Решение задачи создания современной отечественной элементной базы основано на внедрении перспективных микроэлектронных технологий с использованием лучших мировых достижений автоматизированного проектирования и серийного изготовления электронных компонентов и создании на их основе базовых навигационных модулей. Федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» на ОАО «Российский институт радионавигации и времени» возложена задача разработки и освоения производства СБИС, радиоэлектронных компонентов и базовых модулей для НАП и функциональных дополнений СНС ГЛОНАСС/GPS. К решению указанной задачи в качестве соисполнителей привлекаются отечественные предприятия, имеющие наибольший научно-технический и технологический потенциал. Ключевыми целями разработки являются: обеспечение энергосберегающих режимов функционирования; минимизация времени первого определения; обеспечение работоспособности аппаратуры при малых уровнях сигналов СНС, воздействиях помех; обеспечение высокой точности и стабильности измерений первичных радионавигационных параметров.
Еще одна проблема в области развития СНС - значительная номенклатура и различное конструктивное исполнение навигационной аппаратуры потребителей . В условиях ограниченности финансовых ресурсов это сдерживает оснащение войск и сил флота указанной аппаратурой и требует проведения мероприятий по ее унификации. Основными целями при этом должны быть: сокращение затрат на их создание, закупку, эксплуатацию и техническое сопровождение; сокращение сроков их создания; обеспечение системной совместимости и взаимозаменяемости средств и их составных частей; снижение затрат и уменьшение сложности подготовки личного состава для работы с навигационной аппаратурой.
Образцы НАП СНС первого поколения разрабатывались с учетом требований по унификации, однако в них была реализована только внутризаводская унификация. В настоящее время они выработали свой ресурс, морально устарели и проводить работы по их унификации, на наш взгляд, бессмысленно. Целесообразной представляется разработка унифицированных рядов НАП, создаваемых на основе базовых моделей. Базовые модели НАП - образцы, имеющие необходимый минимум конструктивно и программно реализованных технических решений, определяющих особую область применения. Они позволяют создавать модификации НАП, учитывающие специфические дополнительные требования. Каждый унифицированный ряд представляет собой развитие базовой модели в том или ином направлении. В настоящее время уже существует несколько унифицированных рядов НАП СНС.
Первый . Семейство образцов разработки КБ «НАВИС», предназначенных для решения относительно неоперативных задач дальней навигации, присущих в основном ВМФ. Создается двухчастотная модификация, удовлетворяющая требованиям высокоточных целеуказаний, а также прибрежной и ближней навигации. Также создается двухчастотная модификация для решения задач топогеодезического обеспечения ВС РФ. Кроме того, существует малогабаритный носимый вариант НАП СНС этого типа.
Второй . Семейство образцов разработки НИИ КП, предназначенных для решения задач с повышенной точностью и оперативностью, таких, как топогеодезическое обеспечение ударов ракетных войск и артиллерии, местоопределение подвижных мотострелковых и танковых подразделений, навигационное обеспечение действий десантных подразделений и особенно подразделений сил специального назначения.
Третий . Семейство образцов НАП разработки МКБ «Компас», предназначенных для решения задач ВВС.
Помимо указанных имеется унифицированный ряд НАП СНС разработки ОАО РИРВ для гражданских потребителей, возможность принятия которой на вооружение ВС РФ в настоящее время рассматривается.
Основным видом унификации НАЛ СНС второго поколения является межпроектная унификация НАЛ и средств функциональных дополнений в рамках одного предприятия-производителя . Унификация между предприятиями практически не применяется. Связано это в первую очередь с особенностями современного проектирования и производства НАП фирмами-производителями на базе использования укрупненных модулей и элементов собственной разработки. Кроме того, имеются сложности в передаче предприятием-разработчиком другим фирмам оригинальных технологий производства комплектующих. Ликвидация этого существенного недостатка требует решения в рамках реформы, проводимой в оборонно-промышленном комплексе.
Основными перспективными направлениями унификации образцов НАЛ военного назначения могут быть: унификация функциональных модулей, габаритных, присоединительных и установочных размеров;
унификация протоколов внешнего и внутреннего информационного обмена, интерфейса пользователя; унификация перечня и содержания типовых процессов и операций подготовки, контроля, испытаний и выполнения основных целевых задач навигационных средств; унификация программного обеспечения.
Широкое использование всех форм унификации позволит существенно повысить эффективность создания и применения навигационных средств военными потребителями.
Подводя итог, можно отметить, что в целях повышения уровня координатно-временного обеспечения, а также для наиболее полной реализации потенциальных возможностей системы ГЛОНАСС необходимо проведение единой государственной и в первую очередь военно-технической политики в области применения спутниковой навигационной системы. Целесообразно активизировать работы по формированию единых требований к военной НАП СНС на основе системных межвидовых исследований, внедрения стандартов, определяющих все основные аспекты процесса разработки и применения военной НАП СНС.
Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте
Определение своего местоположения, как на суше, так и на море, в лесу или в городе - вопрос такой же актуальный на сегодняшний день, как и на протяжении прошлых веков. Эпоха открытия радиоволн существенно упростило задачу навигации и открыло новые перспективы перед человечеством во многих сферах жизни и деятельности, а с открытием возможности покорения космического пространства совершился огромный прорыв в области определения координат местоположения объекта на Земле. Для определения координат используется спутниковой системы навигации, который получает необходимую информацию от спутников, расположенных на орбите.
Сейчас в мире существуют две глобальных системы определения координат – российская ГЛОНАСС и американская NavStar, более известная как GPS (аббревиатура названия Global Position System – глобальная система позиционирования).
Cистема спутниковой навигации ГЛОНАСС была изобретена в Советском союзе еще в начале 80х годов прошлого века и первые испытания прошли в 1982 г. Она разрабатывалась по заказу Министерства Обороны и была специализирована для оперативной глобальной навигации наземных передвигающихся объектов.
Американская система навигации GPS по своей структуре, назначению и функциональности аналогична ГЛОНАСС и также разработана по заказу Министерства Обороны Соединенных Штатов. Она имеет возможность с высокой точностью определять как координаты наземного объекта, так и осуществлять временную и скоростную привязку. NavStar имеет на орбите 24 навигационных спутника, обеспечивающих непрерывное навигационное поле на всей поверхности Земли.
Приемоиндикатор системы спутниковой навигации (GPS-навигатор или ) принимает сигналы от спутников, измеряет расстояния до них, и по измеренным дальностям решает задачу определения своих координат – широты, долготы и, при приеме сигналов от 4-х и более спутников – высоты над уровнем моря, скорость, направление (курс), пройденный путь. В состав навигатора входят приемник с для приема сигналов, компьютер для их обработки и навигационных вычислений, дисплей для отображения навигационной и служебной информации и клавиатура для управления работой прибора.
Такие приемники предназначены для постоянной установки в рулевых рубках и на приборных панелях. Их основными особенностями являются: наличие выносной антенны и питание от внешнего источника постоянного тока. Они имеют, как правило, крупные жидкокристаллические монохромные экраны с алфавитно-цифровым и графическим отображением информации.
:
Компактный водонепроницаемый GPS/DGPS/WAAS приемник с высокими характеристиками, спроектированный для малых судов. Этот GPS приемник от компании способен принимать и обрабатывать дополнительные сигналы дифференциальных поправок DGPS/WAAS. Эта возможность обеспечивает, принимая поправки от радиомаяка или геостационарных спутников WAAS, использовать точность выше 5 метров.
Новый (D)GPS навигатор встроенным приемником дифференциальных поправок. Технология прокладки пути позволяет точно создавать маршруты высокой дальности. Есть возможность выбирать локсодромический курс (RL) для коротких дистанций и ортодромический (GC) для длинных.
С технологией прокладки пути позволяет точно создавать маршруты высокой дальности. Есть возможность выбирать локсодромический курс (RL) для коротких дистанций и ортодромический (GC) для длинных.
Стационарные приемники имеют широкие функциональные возможности, особенно профессиональные приборы для использования на море. Они обладают большим объемом памяти, возможностью решения различных навигационных задач, а их интерфейс предоставляет возможность включения в навигационную систему судна.
:
Это современный приемоиндикатор навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS разработанный для судов всех типов.
Разработан специалистами компании «Радио Комплекс» с использованием новейших достижений в области морской навигации. РК-2006 имеет возможность принимать сигналы уже развернутых спутниковых группировок, таких как ГЛОНАСС и GPS, но так же и перспективных европейских и азиатских систем позиционирования, это позволяет с повышенной помехоустойчивостью, и защищенностью от вывода из строя какой-либо системы, определять координаты судна и его курс и скорость.
Приёмник глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, от южнокорейского производителя морского радионавигационного оборудования Samyung ENC Co., Ltd - SGN-500.
При использовании ГЛОНАСС и GPS в комбинированных приёмниках (практически все ГЛОНАСС-приёмники являются комбинированными) точность определения координат практически всегда «отличная» вследствие большого количества видимых КА и их хорошего взаимного расположения.
Отображение навигационной информации
В приемниках ГЛОНАСС/ GPS используются два способа отображения информации: алфавитно-цифровой и графический (иногда используется термин «псевдографический»).
Алфавитно-цифровой способ для отображения получаемой информации использует:
- цифры (координаты, скорость, пройденный путь и т. п.)
- буквенные сочетания, поясняющие цифровые данные – обычно аббревиатуры фраз (например, МОВ – «Man Over Board» или, по-русски – «Человек за бортом!»
- сокращения слов (например,SPD – speed – скорость, TRK – Track – трасса), имена путевых точек. Алфавитно-цифровое отображение информации в чистом виде использовалось на начальном этапе развития техники GPS.
Графический способ отображения осуществляется с помощью образуемых на экране рисунков, представляющих характер движения носителя (судна, автомобиля, человека). Графика в аппаратах различных фирм практически одинакова и различается, как правило, в деталях. Наиболее распространенными рисунками являются:
- электронный компас (не путать с магнитным!)
- графический указатель движения
- трасса движения, маршруты
- символы для путевых точек
- координаты судна
- направление на путевую точку
- скорость
Характеристики:
Точность определения координат места
Точность определения координат места является фундаментальным показателем любой навигационной системы, от значения которого будет зависеть, насколько правильно судно будет следовать по проложенному маршруту и не попадет ли оно на находящиеся поблизости мели или камни.
Точность приборов обычно оценивают по величине среднеквадратической погрешности (СКО) – интервалу, в который попадает 72 % измерений, или по максимальной ошибке, соответствующей 95 %. Большинство фирм-производителей оценивают СКО своих приемников GPS в 25 метров, что соответствует максимальной ошибке 50 метров.
Навигационные характеристики
Навигационные возможности приемников ГЛОНАСС/GPS характеризуют количеством запоминаемых прибором путевых точек, маршрутов и содержащихся в них маршрутных точек. Под путевыми понимаются используемые для навигации характерные точки на поверхности Современные могут создавать и хранить, в зависимости от модели, от 500 до 5000 путевых точек и 20–50 маршрутов с 20–30 точками в каждом.
Помимо путевых точек в любом приемнике есть запас точек для записи и сохранения пройденной трассы. Это количество может достигать от 1000 до нескольких десятков тысяч точек в профессиональных навигаторах. Записанная трасса может быть использована для возврата по ней назад.
Количество одновременно отслеживаемых спутников
Этот показатель характеризует устойчивость работы навигатора и его возможность обеспечения наивысшей точности. Учитывая тот факт, что для определения двух координат позиции – долготы и широты – нужно одновременно отслеживать 3 спутника, а для определения высоты – четырех. Современные ГЛОНАСС/ GPS навигаторы, даже носимые, имеют 8 или 12-канальные приемники, способные одновременно принимать и отслеживать сигналы соответственно до 8 или 12 спутников.
