Система спутниковой навигации или спутниковой навигации — это система, которая использует спутники для обеспечения автономного геопозиционирования . Спутниковая навигационная система с глобальным покрытием называется глобальной навигационной спутниковой системой ( ГНСС ). По состоянию на 2023 год [обновлять]действуют четыре глобальные системы: система глобального позиционирования (GPS) США , глобальная навигационная спутниковая система России ( ГЛОНАСС ) , китайская навигационная спутниковая система BeiDou [1] и система Galileo Европейского космического агентства . . [2]
В настоящее время используются региональные навигационные спутниковые системы: японская спутниковая система «Квази-Зенит» (QZSS), спутниковая система расширения GPS для повышения точности GPS со спутниковой навигацией, независимой от GPS, запланированной на 2023 год [3] и индийский региональный навигационный спутник. Система (IRNSS) или NavIC, которую в долгосрочной перспективе планируется расширить до глобальной версии. [4]
Спутниковая навигация позволяет устройствам спутниковой навигации определять свое местоположение ( долготу , широту и высоту / высоту ) с высокой точностью (в пределах от нескольких сантиметров до метров), используя сигналы времени, передаваемые по линии видимости по радио со спутников. Система может использоваться для определения местоположения, навигации или для отслеживания положения объекта, оснащенного приемником (спутниковое слежение). Сигналы также позволяют электронному приемнику рассчитывать текущее местное время с высокой точностью, что обеспечивает синхронизацию времени. Эти виды использования известны под общим названием «Позиционирование, навигация и синхронизация» (PNT). Системы спутниковой навигации работают независимо от телефонной связи или интернет-приема, хотя эти технологии могут повысить полезность генерируемой информации о местоположении.
Глобальное покрытие для каждой системы обычно достигается за счет спутниковой группировки из 18–30 спутников на средней околоземной орбите (MEO), распределенных между несколькими орбитальными плоскостями . Реальные системы различаются, но все используют наклон орбиты >50° и орбитальный период примерно двенадцать часов (на высоте около 20 000 километров или 12 000 миль).
Системы ГНСС, обеспечивающие повышенную точность и мониторинг целостности, пригодные для гражданской навигации, классифицируются следующим образом: [5]
По роли в навигационной системе системы можно разделить на:
Поскольку многие глобальные системы GNSS (и системы дополнения) используют схожие частоты и сигналы вокруг L1, было произведено множество приемников «Multi-GNSS», способных использовать несколько систем. В то время как некоторые системы стремятся максимально эффективно взаимодействовать с GPS, предоставляя одни и те же часы, другие этого не делают. [8]
Наземной радионавигации уже несколько десятилетий. Системы DECCA , LORAN , GEE и Omega использовали наземные длинноволновые радиопередатчики , которые передавали радиоимпульс из известного «главного» местоположения, за которым следовал импульс, повторяемый от ряда «ведомых» станций . Задержка между приемом ведущего сигнала и сигналов ведомых позволяла приемнику определить расстояние до каждого из ведомых устройств, обеспечивая фиксацию .
Первой спутниковой навигационной системой была Transit , система, развернутая военными США в 1960-х годах. Работа Транзита была основана на эффекте Доплера : спутники двигались по известным маршрутам и транслировали свои сигналы на известной радиочастоте . Принимаемая частота будет немного отличаться от частоты вещания из-за движения спутника относительно приемника. Контролируя этот сдвиг частоты в течение короткого интервала времени, приемник может определить свое местоположение по ту или иную сторону от спутника, а несколько таких измерений в сочетании с точным знанием орбиты спутника могут зафиксировать конкретное положение. Ошибки орбитального положения спутников вызваны рефракцией радиоволн , изменениями гравитационного поля (поскольку гравитационное поле Земли неоднородно) и другими явлениями. Группа, возглавляемая Гарольдом Л. Джури из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде с 1970 по 1973 год, нашла решения и/или исправления многих источников ошибок. [ нужна цитация ] Используя данные в реальном времени и рекурсивную оценку, систематические и остаточные ошибки были сужены до точности, достаточной для навигации. [9]
Часть трансляции орбитального спутника включает точные орбитальные данные. Первоначально Военно-морская обсерватория США (USNO) постоянно наблюдала за точными орбитами этих спутников. Когда орбита спутника отклонилась, USNO отправила на спутник обновленную информацию. Последующие передачи с обновленного спутника будут содержать самые последние эфемериды .
Современные системы более прямолинейны. Спутник передает сигнал, содержащий данные об орбите (на основании которых можно рассчитать положение спутника) и точное время передачи сигнала. Орбитальные данные включают примерный альманах для всех спутников, помогающий их найти, а также точные эфемериды для этого спутника. Орбитальные эфемериды передаются в сообщении данных, которое накладывается на код, служащий эталоном синхронизации. Спутник использует атомные часы для поддержания синхронизации всех спутников в созвездии. Приемник сравнивает время трансляции, закодированной при передаче трех (на уровне моря) или четырех (что позволяет также рассчитать высоту) разных спутников, измеряя время полета до каждого спутника. Несколько таких измерений могут быть выполнены одновременно на разных спутниках, что позволяет постоянно генерировать координаты в реальном времени с использованием адаптированной версии трилатерации : подробности см. в разделе «Расчет позиционирования GNSS» .
При каждом измерении расстояния, независимо от используемой системы, приемник помещается на сферическую оболочку на измеренном расстоянии от вещательной станции. Путем проведения нескольких таких измерений и последующего поиска точки их пересечения можно найти исправление. Однако в случае быстро движущихся приемников положение сигнала меняется по мере приема сигналов от нескольких спутников. Кроме того, радиосигналы немного замедляются при прохождении через ионосферу, и это замедление зависит от угла приемника к спутнику, поскольку это изменяет расстояние через ионосферу. Таким образом, основные вычисления пытаются найти кратчайшую направленную линию, касательную к четырем сплюснутым сферическим оболочкам с центрами на четырех спутниках. Приемники спутниковой навигации уменьшают ошибки, используя комбинации сигналов от нескольких спутников и нескольких корреляторов, а затем используя такие методы, как фильтрация Калмана , для объединения зашумленных, частичных и постоянно меняющихся данных в единую оценку положения, времени и скорости.
Общая теория относительности Эйнштейна применяется к коррекции времени GPS, в результате время на спутниковых часах GPS идет быстрее, чем на наземных часах, примерно на 38 микросекунд в день. [10]
Первоначальная мотивация использования спутниковой навигации заключалась в военных целях. Спутниковая навигация обеспечивает точность доставки оружия к целям, значительно повышая его смертоносность и одновременно снижая непреднамеренные потери от неправильно направленного оружия. (См. Управляемая бомба ). Спутниковая навигация также позволяет легче направлять силы и определять их местонахождение, уменьшая туман войны .
Теперь глобальная навигационная спутниковая система, такая как Galileo , используется для определения местоположения пользователей и местонахождения других людей или объектов в любой момент времени. Диапазон применения спутниковой навигации в будущем огромен, включая как государственный, так и частный сектор в многочисленных сегментах рынка, таких как наука, транспорт, сельское хозяйство, страхование, энергетика и т. д. [11] [12]
Возможность подачи спутниковых навигационных сигналов — это также возможность отрицать их наличие. Оператор спутниковой навигационной системы потенциально имеет возможность ухудшить или прекратить предоставление услуг спутниковой навигации на любой территории, которую он пожелает.
В порядке первого года запуска:
Год первого запуска: 1978.
Система глобального позиционирования (GPS) США состоит из 32 спутников средней околоземной орбиты в шести различных орбитальных плоскостях . Точное количество спутников варьируется по мере вывода из эксплуатации и замены старых спутников. GPS работает с 1978 года и доступна по всему миру с 1994 года. GPS является наиболее используемой в мире спутниковой навигационной системой.
Год первого запуска: 1982.
Бывшая советская , а теперь российская « Глобальная навигационная спутниковая система » (ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА или ГЛОНАСС) представляет собой спутниковую навигационную систему космического базирования, которая обеспечивает гражданскую радионавигационно-спутниковую службу и также используется Войска Воздушно-космической обороны России. ГЛОНАСС имеет полное глобальное покрытие с 1995 года и насчитывает 24 активных спутника.
Год первого запуска: 2000.
BeiDou начиналась как ныне выведенная из эксплуатации Beidou-1, Азиатско-Тихоокеанская локальная сеть на геостационарных орбитах. Второе поколение системы BeiDou-2 вступило в эксплуатацию в Китае в декабре 2011 года. [13] Предполагается, что система BeiDou-3 будет состоять из 30 спутников MEO и пяти геостационарных спутников (IGSO). Региональная версия из 16 спутников (охватывающая Азиатско-Тихоокеанский регион) была завершена к декабрю 2012 года. Глобальное обслуживание было завершено к декабрю 2018 года. [14] 23 июня 2020 года развертывание группировки BDS-3 полностью завершено после успешного запуска последнего спутника. запущен на космодроме Сичан . [15]
Год первого запуска: 2011.
В марте 2002 года Европейский Союз и Европейское космическое агентство договорились представить свою собственную альтернативу GPS, названную системой позиционирования Galileo . Galileo вступил в строй 15 декабря 2016 года (глобальные возможности ранней эксплуатации, EOC). [16] При ориентировочной стоимости в 10 миллиардов евро, [17] первоначально планировалось, что система из 30 спутников MEO будет введена в эксплуатацию в 2010 году. Первоначальным годом ввода в эксплуатацию был 2014 год . [18] Первый экспериментальный спутник был запущен 28 октября. Декабрь 2005 г. [19] Ожидается, что Galileo будет совместим с модернизированной системой GPS . Приемники смогут объединять сигналы со спутников Galileo и GPS, чтобы значительно повысить точность. Полная группировка Galileo состоит из 24 активных спутников, [20] последний из которых был запущен в декабре 2021 года. [21] [22] Основная модуляция, используемая в сигнале открытой службы Galileo, — это модуляция составной двоичной смещенной несущей (CBOC).
NavIC или NAVigation with Indian Constellation — это автономная региональная спутниковая навигационная система, разработанная Индийской организацией космических исследований (ISRO). Правительство Индии одобрило проект в мае 2006 года. Он состоит из группировки из семи навигационных спутников. [23] Три спутника размещены на геостационарной орбите (ГСО), а остальные 4 — на геостационарной орбите (ГСО) , чтобы обеспечить больший охват сигнала и меньшее количество спутников для картографирования региона. Он предназначен для обеспечения абсолютной точности определения местоположения в любую погоду с точностью более 7,6 метров (25 футов) по всей Индии и в регионе, простирающемся примерно на 1500 км (930 миль) вокруг нее. [24] Зона расширенного обслуживания расположена между основной зоной обслуживания и прямоугольной зоной, ограниченной от 30-й параллели юга до 50-й параллели севера и от 30-го меридиана востока до 130-го меридиана востока , на расстоянии 1500–6000 км за пределами границ. [25] Была заявлена цель полного контроля со стороны Индии, при этом космический сегмент , наземный сегмент и пользовательские приемники будут построены в Индии. [26]
По состоянию на 2018 год группировка находилась на орбите, а в начале 2018 года система была доступна для публичного использования. [27] NavIC предоставляет два уровня обслуживания: «стандартную службу позиционирования», которая будет открыта для гражданского использования, и «ограниченную службу позиционирования». сервис» (в зашифрованном виде) для авторизованных пользователей (в том числе военных). Планируется расширить систему NavIC за счет увеличения размера группировки с 7 до 11. [28]
Индия планирует сделать NAVIC глобальным, добавив еще 24 спутника MEO. Global NavIC будет бесплатным для использования широкой публикой. [29]
Спутниковая система «Квази-Зенит» (QZSS) представляет собой региональную систему передачи времени из четырех спутников и усовершенствованную систему GPS , охватывающую Японию и регионы Азии и Океании . Услуги QZSS были доступны на экспериментальной основе с 12 января 2018 г. и запущены в ноябре 2018 г. Первый спутник был запущен в сентябре 2010 г. [30] Независимая спутниковая навигационная система (от GPS) с 7 спутниками запланирована на 2023 г. [31 ]
Источники: [7] [38]
Использование нескольких систем GNSS для определения местоположения пользователя увеличивает количество видимых спутников, улучшает точное позиционирование точки (PPP) и сокращает среднее время конвергенции. [39] Ошибка измерения дальности сигнала в пространстве (SISRE) в ноябре 2019 года составила 1,6 см для Galileo, 2,3 см для GPS, 5,2 см для ГЛОНАСС и 5,5 см для BeiDou при использовании поправок в реальном времени для спутниковых орбит и часов. [40] Средние значения SISRE спутников BDS-3 MEO, IGSO и GEO составляли 0,52 м, 0,90 м и 1,15 м соответственно. По сравнению с четырьмя основными глобальными спутниковыми навигационными системами, состоящими из спутников MEO, SISRE спутников MEO BDS-3 немного уступал 0,4 м у Galileo, немного превосходил 0,59 м у GPS и значительно превосходил 2,33 м у ГЛОНАСС. SISRE ИГСО БДС-3 составляла 0,90 м, что соответствовало 0,92 м ИГСО QZSS. Однако, поскольку спутники GEO BDS-3 были запущены недавно и не полностью функционировали на орбите, их средний SISRE был немного хуже, чем 0,91 м у спутников QZSS GEO. [3]
Дополнение GNSS — это метод улучшения атрибутов навигационной системы, таких как точность, надежность и доступность, посредством интеграции внешней информации в процесс расчета, например, Глобальная система дополнения , Европейская геостационарная навигационная служба , -функциональная спутниковая система дополнения , дифференциальная GPS , GPS-навигация с поддержкой GEO (GAGAN) и инерциальные навигационные системы .
Доплеровская орбитография и радиопозиционирование, интегрированное со спутника (DORIS) — французская система точной навигации. В отличие от других систем ГНСС, она основана на статических излучающих станциях по всему миру, а приемники расположены на спутниках, чтобы точно определять их орбитальное положение. Система также может использоваться для мобильных приемников на суше с более ограниченным использованием и покрытием. При использовании с традиционными системами GNSS точность местоположения увеличивается до сантиметровой точности (и до миллиметровой точности для альтиметрических приложений, а также позволяет отслеживать очень незначительные сезонные изменения вращения и деформаций Земли), чтобы построить гораздо более точную геодезическую систему отсчета. [41]
Две текущие действующие сети спутниковой телефонной связи на низкой околоземной орбите (LEO) способны отслеживать приемопередатчики с точностью до нескольких километров, используя расчеты доплеровского сдвига со спутника. Координаты передаются обратно в блок приемопередатчика, где их можно прочитать с помощью AT-команд или графического интерфейса пользователя . [42] [43] Это также может использоваться шлюзом для обеспечения соблюдения ограничений на географически привязанные планы вызовов.
Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет радионавигационную спутниковую службу ( РНСС ) как « спутниковую службу радиоопределения, используемую для целей радионавигации . Эта служба может также включать фидерные линии , необходимые для ее работы». [44]
РНСС рассматривается как служба обеспечения безопасности человеческой жизни и важная часть навигации , которая должна быть защищена от помех .
Воздушная радионавигационная спутниковая служба (сокращенно: ARNSS ) – в соответствии со статьей 1.47 Регламента радиосвязи (РР) Международного союза электросвязи (ITU) [ 45 ] – определяется как « Радионавигационная служба , в которой земные станции расположены на борту воздушных судов ».
Морская радионавигационная спутниковая служба (сокращенно: MRNSS ) – в соответствии со статьей 1.45 Регламента радиосвязи (РР ) Международного союза электросвязи (МСЭ ) [ 46] – определяется как « Радионавигационная спутниковая служба, в которой земные станции расположены на борту судов. .»
Регламент радиосвязи МСЭ (статья 1) классифицирует службы радиосвязи как:
Распределение радиочастот осуществляется согласно статье 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.). [47]
Для улучшения гармонизации использования спектра распределение большинства служб включается в национальные таблицы распределения и использования частот, находящиеся в ведении соответствующей национальной администрации. Распределения:
ISRO/DOS будет работать над расширением зоны покрытия от регионального до глобального, чтобы обеспечить доступность автономного сигнала NavIC в любой части мира, не полагаясь на другие GNSS, и способствовать широкому использованию индийской навигационной системы по всему миру.