Общие параметры спутниковых систем навигации.

Направления и перспективы развития спутниковых технологий

Системы спутниковых телекоммуникаций бурно развиваются, что обусловливает интенсивное освоение околоземного космического пространства.

Начальный этап развития спутниковых телекоммуникаций включал в себя два основных направления – телевидение и радиовещание – для реализации двух задач: 1. информационной экспансии; 2. охвата пространства стран, имеющих большие территории, что особенно актуально там, где невозможно никаким другим образом передать сигнал.

Современные системы спутниковых телекоммуникаций ввиду их сложности и дороговизны эксплуатации нацелены на выполнение нескольких задач как гражданского, так и военного назначения. Например, система Inmarsat. Рассмотрим основные направления использования и тенденции развития систем спутниковых телекоммуникаций.

Телевидение

В Европе спутниковое ТВ стало развиваться в начале 80-х прошлого века, когда появилось новое технологическое решение – передача сигнала из космоса прямо на индивидуальную антенну абонента (реализация непосредственного телевидения НТВ). Первым коммерческим оператором спутникового ТВ стала британская компания Sky (нынешняя BSkyB), через год во Франции появилась Canal Satellite – обе вещали в аналоговом формате. Спустя два года на Ближнем Востоке начала работать первая цифровая спутниковая платформа Orbit. В настоящее время вся информация через спутники передается только в цифровом виде. Бурно развивается и используется спутниковое телевидение высокой четкости.

Системы навигации

Принцип работы и использования систем навигации состоит в определении местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников до потребителя. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной навигационного приёмника. 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: – местоположение j-го спутника, – момент времени приема сигнала от j-го спутника по часам потребителя, – неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя, – скорость света, – неизвестное трехмерное положение потребителя.

Рассмотрим существующие системы навигации. Основные параметры этих систем навигации приведены в Табл. 1.1.

Таблица 1.1

Общие параметры спутниковых систем навигации.

GPS

В США в стенах Стэнфордского университета [16] после запуска в СССР в 1957 г. первого ИСЗ были начаты исследования по использованию космических аппаратов для навигации подвижных объектов. Первая задачей было определение координат спутников по сигналу спутника и известным координатам места приема этого сигнала на Земле. Решение этой задачи строилось на измерении доплеровского сдвига несущей частоты передатчика и дальнейшего расчета параметров движения спутника.

Для современных систем навигации используется обратная задача – расчет координат приемника спутникового сигнала на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ. Точность решения зависит от точности синхронизации передатчиков ИСЗ. Для синхронизации передатчиков используют атомные стандарты частоты и времени.

Кроме того, в 1964 г. ВВС США начали программу разработки и испытаний возможностей использования для целей местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми (PRN) кодами. В 1973 г. программы ВВС и ВМС США были объединены в общую Навигационную технологическую программу, позднее превратившуюся в программу Navstar-GPS. Спутники системы Navstar стали оборудовать стандартами частоты с наибольшей достижимой степенью точности — сначала кварцевым и рубидиевым, затем цезиевым и водородным стандартами. В ходе экспериментов были подобраны оптимальные высоты орбит спутников. В результате высота увеличилась с 925 до 13 тыс. км, а затем — до 20 тыс. км. Изменилась также несущая частота передатчиков: с 400 МГц до 1227-ми и 1575-ти. К 1995 г. система Navstar-GPS была полностью развернута.

В настоящее время точность составляет от 1 см до 15 м. В 2008 г. система GPS полностью введена в эксплуатацию.

ГЛОНАСС

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы также началось с запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого ИСЗ в связи с необходимостью слежения за ним. Первое же научно-обоснованное предложение об использовании ИСЗ для навигации было сформулировано в период проведения в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А. Ф. Можайского с 1955 по 1957 гг. исследований возможностей радиоастрономических методов для самолетовождения. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике и расчетам орбит. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника «Космос-1413». Нормальное функционирование системы ГЛОНАСС должны были обеспечить 24 космических аппарата (КА) и сложная наземная инфраструктуру комплекса.

Вначале ГЛОНАСС использовалась в основном только для военных нужд, но в настоящее время она является открытой системой для пользователей. Она имеет свои преимущества перед американской системой GPS. Практическое использование комбинированных приемников ГЛОНАСС/GPS обеспечивает максимальную эффективность.

GALILEO

Европейская навигационная система GALILEO является еще одной существующих глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). GALILEO – это многоцелевая система. В частности, она призвана повысить точность позиционирования по сравнению с современными возможностями ГЛОНАСС/ GPS. Одной из ее особенностей будет доступность навигационных решений в высоких широтах. Кроме того, GALILEO должна стать независимой навигационной основой для стран Европы. Ввод ее в эксплуатацию предполагается к 2012/14 г., в систему войдут 30 спутников (27 основных и 3 резервных), а также сеть наземных станций. Спутники GALILEO будут перемещаться по орбитам, чья высота несколько больше, чем высота орбит спутников GPS, однако принцип определения координат точек местности остается тем же.

BeiDou

В настоящее время Китай разрабатывают свой вариант спутниковой системы позиционирования специально для азиатско-тихоокеанского региона. Эта спутниковая навигационная система называется BeiDou Navigation Satellite System. Вступила в строй в 2010 г.

Система полностью совместима с российской ГЛОНАСС, европейской GALILEO и американской GPS. BeiDou, также как и остальные системы позиционирования, будет полностью бесплатной для использования, однако за плату можно будет воспользоваться шифрованными каналами связи, предназначенными для специального использования, например, в военной среде.

Система BeiDou предусматривает наличие пяти спутников на геостационарной орбите и 30 спутников на орбите средней дальности. Первый спутник системы, рассчитанный на орбиту средней дальности, был запущен в 2007 г.

QZSS

Quasi-Zenith Satellite System (QZSS, «Квазизенитная спутниковая система», или Квази-Зенит) – трёхспутниковая региональная система синхронизации времени и дифференциальной коррекции для GPS. Япония разворачивает собственную локальную группировку Квази-Зенит, спутники которой будут расположены на высокоэллиптической орбите над азиатско-тихоокеанским регионом. Сигналы QZSS будут доступны в Японии.