На сегодняшний день полноценно функционирует несколько спутниковых навигационных систем (СНС). Например, широкое применение нашла российская разработка ГЛОНАСС. Отдельного внимания заслуживает и система Навстар GPS. Стоит рассмотреть ее устройство и основные сферы использования.
GLONASS – РФ, NAVSTAR (GPS) – США, GALILEO – Европа, BEIDOU (COMPASS) – Китай.
Американская навигационная система NAVSTAR GPS
GPS (англ. Global Positioning System) – Глобальная система позиционирования. NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range) система – это разработка США, которая способна установить местоположение объекта на любом участке земного шара (включая приполярные области), при любой погоде. Изначально системой пользовались только в Министерстве обороны, но сейчас доступна всем гражданам. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Но поскольку разница между часами спутника и приёмника может внести в решение огромную ошибку, один из КА используется как “базовый”, с него получают время, остальные три используются для определения координат. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.
История создания системы
Впервые о создании СРНС заговорили еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда в СССР запустили в космос искусственный спутник. Ученые наблюдали за исходящим от спутника сигналом и выявили один интересный факт. Оказалось, что за счет эффекта Доплера происходит увеличение частоты сигнала в момент его приближения к спутнику. Когда же он отдаляется, наблюдается понижение.
Ученые США выявили, что если известны собственные координаты, то можно установить положение спутника. Если получить эти сведения, удастся узнать местонахождение объекта на Земле. Эта информация была взята за основу. Правда, реализовать задуманное удалось только через двадцать лет.
Тестовый спутник вывели на орбиту в 1974 году. Использовать GPS в «Навстаре» стали только через 6 лет, и то частично. Полностью система оказалась готовой к эксплуатации в 1994 г. В последнее время ее начали использовать не только военные, но и гражданские. После того, как в 1983 году был сбит вторгшийся в воздушное пространство и территории Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы 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 было отменено указом президента США. Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приемника. Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код, модуляция BPSK), 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 отключен. 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 диаппазоне L1. Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диаппазонах L1/L2 модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введен в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность программы в любом месте 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 (32 аппарат в ноябре 2020 года).
Предназначение
Система предназначена для определения геолокации интересующих объектов. Изначально им пользовались исключительно в военных целях, сейчас же GPS-модули есть в обычных навигаторах. С их помощью удается узнать местонахождение людей и транспорта.
Устройство системы
Чтобы «Навстар» мог полноценно работать, разработчики предусмотрели несколько составных элементов. Система включает в себя космический, пользовательский и управляющий сегменты.
Космический
В КРНС входят космодром и орбитальная группировка спутников. Они выполняют следующие задачи:
- хранение и прием информации;
- поддержка точного времени;
- передача сигналов и сведений.
В созвездие входит 24 спутника. Основные характеристики этих спутников представлены в таблице.
| Количество орбитальных плоскостей | 6 |
| Угол наклона | 55 градусов |
| Рабочие слоты | 4 |
| Распределение точек на орбите | Неравномерное |
| Идентификация | GPS, PRN, NASA, по положению группировки и международному номеру. |
Интересно! Точность определения геолокации и стабильность работы зависят от расположения спутников. Нужно, чтобы в зоне видимости находилось минимум 3 спутника.
Управляющий
Контроль производится со станции управления, которая расположена в штате Колорадо. На воздушной базе Фалкон выполняют такие функции:
- отслеживание спутников;
- поддержка рабочего состояния спутников;
- формирование GPS Time (системное время);
- обновление сообщений;
- расчет характеристик часов;
- выполнение маневров спутниками.
На станции постоянно отслеживаются сигналы от спутников. Основное используемое на них оборудование – GPS приемники. Также применяются метеорологические аппараты и связные элементы.
Пользовательский сегмент
В состав потребительской системы входят:
- приемники GPS;
- антенны;
- исполнительная аппаратура;
- ПО.
Модуль получает сигнал от отправленных в космос спутников, решает навигационные задачи и выдает информацию на экран. Правда, в результате возможности ограничены. Воспользоваться системой в полной мере зачастую не удается. Потребителям предлагаются множество различных устройств и программных продуктов, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте, прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков и дорожной обстановки (пробок), осуществлять навигацию, искать на карте адреса, достопримечательности, любые объекты инфраструктуры, обеспечивать мониторинг различных объектов и т.п
Характеристики сигнала системы
Со спутников Навстар подается сигнал в следующих диапазонах:
- L1 – 1575 МГц;
- L2 – 1227 МГц;
- L5 – 1176 МГц.
Важно! Информация принимается антенной навигатора, обрабатывается GPS-модулем. Диапазон при этом зависит от используемого спутника.
Вскоре планируется запустить новый спутник, работающий в диапазоне L1C. Совместимость у него будет обратной. Прослеживание пути окажется максимально улучшенным. В военных целях дополнительно пользуются сигналами и в других диапазонах, это, например, модулированные L1/L2 с М-кодом. Они устойчивы к помехам, могут установить точную геопозицию.
Применение GPS
GPS-модули нашли широкое применение. Их встраивают в смартфоны, КПК, умные часы, онбордеры. Пользователям предлагается программное обеспечение и ряд устройств, которые дают возможность узнать местонахождение и увидеть его на карте. Владельцы с их помощью прокладывают маршруты с учетом заторов, особенностей дороги. На картах можно искать определенную инфраструктуру, например, интересующий дом, больницу или заправку.
GPS применяется в различных сферах:
- Геодезия. Выясняют границы участков и координаты определенных точек.
- Картография. Применяется как в военной, так и гражданской сфере.
- Навигация. GPS-модули помогают узнать путь на автомобильной дороге и в море.
- Мониторинг автомобилей. Определяются скорость движения, остановки, геолокация.
- Мобильная связь. Гаджеты с GPS-модулем начали выпускаться еще в 90-х годах прошлого столетия. В Америке с помощью такого приемника устанавливают координаты людей, позвонивших в службу спасения 911.
- Тектоника. GPS может наблюдать за колебанием и движением плит.
- Активные виды отдыха. Существует немало игр, где используется навигация. К таким, например, относится геокэшинг.
Также GPS-модули могут привязать фото к определенной геолокации. На снимке высвечивается, где и когда он был сделан.
Точность.
Типичная точность современных GPS приемников в горизонтальной плоскости составляет примерно один- два метра при хорошей видимости спутников. Для сравнения, точность ГЛОНАСС составляет порядка +/-5 метров. При использовании систем дифференциальных поправок или WAAS, точность GPS может быть существенно увеличена.
Недостатки системы
Главным минусом системы Навстар считается то, что далеко не всегда сигнал от спутника доходит до приемника. Нередко информация доставляется с задержками или искажениями. Возникают сложности с определением координат, например, если приемник находится в железобетонном здании, тоннеле, подвале.
Уровень сигнала существенно снижается под густой листвой деревьев, при повышенной облачности. Помехи наблюдаются от наземных радиоисточников, от магнитных бурь и при специальном создании глушилок. Последний вариант практикуют угонщики автомобилей.
Наклонение орбит сравнительно небольшое. За счет этого на приполярных участках точность снижается. Кроме того, GPS реализован американским Министерство обороны. От этого органа напрямую зависит точность передаваемой информации.
Плагин Навстар для смартфонов Samsung
Компанией Samsung разработан плагин, позволяющий произвести полноценную настройку навигационной панели. Представлены как примитивные варианты, так и оригинальные. Система NavStar Samsung для смартфонов уже широко используется пользователями, все больше людей решаются скачать этот плагин.
NAVSTAR GPS – уникальная по сути разработка Америки. Им удалось создать навигационную систему, позволяющую определить точные координаты интересующих приемников. Информация при этом передается в реальном времени. Задержки, правда, возможны, но отмечаются крайне редко. СНС работает полноценно, без сбоев, по целевому назначению используется 31 спутник.
