Спутниковая навигация или система спутниковой навигации — это система, которая использует спутники для обеспечения автономной геопозиционирования . Спутниковая навигационная система с глобальным покрытием называется глобальной навигационной спутниковой системой ( GNSS ). По состоянию на 2024 год [обновлять]действуют четыре глобальные системы: Глобальная система позиционирования (GPS) США , Глобальная навигационная спутниковая система России ( ГЛОНАСС ), китайская навигационная спутниковая система BeiDou ( BDS) [1] и Galileo Европейского союза . [2]
Системы спутникового дополнения (SBAS), разработанные для повышения точности GNSS, [3] включают в себя японскую Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), [3] индийскую GAGAN и европейскую EGNOS , все они основаны на GPS. Предыдущие итерации навигационной системы BeiDou и нынешняя индийская региональная навигационная спутниковая система (IRNSS), в эксплуатации известная как NavIC, являются примерами автономно работающих региональных навигационных спутниковых систем ( RNSS ). [4]
Спутниковые навигационные устройства определяют свое местоположение ( долготу , широту и высоту / высоту ) с высокой точностью (в пределах от нескольких сантиметров до метров) с помощью сигналов времени, передаваемых по линии прямой видимости по радио со спутников. Система может использоваться для определения местоположения, навигации или отслеживания местоположения чего-либо, оснащенного приемником (спутниковое отслеживание). Сигналы также позволяют электронному приемнику рассчитывать текущее местное время с высокой точностью, что позволяет синхронизировать время. Эти виды использования в совокупности известны как позиционирование, навигация и синхронизация (PNT). Системы спутниковой навигации работают независимо от любого телефонного или интернет-приема, хотя эти технологии могут повысить полезность генерируемой информации о местоположении.
Глобальное покрытие для каждой системы обычно достигается спутниковой группировкой из 18–30 спутников на средней околоземной орбите (MEO), распределенных между несколькими орбитальными плоскостями . Фактические системы различаются, но все используют наклон орбиты >50° и орбитальные периоды примерно двенадцать часов (на высоте около 20 000 километров или 12 000 миль).
Системы GNSS, обеспечивающие повышенную точность и контроль целостности, пригодные для использования в гражданской навигации, классифицируются следующим образом: [5]
По своей роли в навигационной системе системы можно классифицировать следующим образом:
Поскольку многие глобальные системы GNSS (и системы дополнения) используют похожие частоты и сигналы около L1, было создано много приемников "Multi-GNSS", способных использовать несколько систем. В то время как некоторые системы стремятся взаимодействовать с GPS как можно лучше, предоставляя те же часы, другие этого не делают. [8]
Наземная радионавигация существует уже десятки лет. Системы DECCA , LORAN , GEE и Omega использовали наземные длинноволновые радиопередатчики , которые передавали радиоимпульс из известного местоположения «главной» станции, за которым следовал импульс, повторяемый несколькими «ведомыми» станциями. Задержка между приемом ведущего сигнала и ведомых сигналов позволяла приемнику определять расстояние до каждой из ведомых станций, обеспечивая фиксацию .
Первой спутниковой навигационной системой была Transit , система, развернутая военными США в 1960-х годах. Работа Transit была основана на эффекте Доплера : спутники перемещались по известным траекториям и передавали свои сигналы на известной радиочастоте . Принимаемая частота будет немного отличаться от частоты вещания из-за движения спутника относительно приемника. Отслеживая этот сдвиг частоты в течение короткого интервала времени, приемник может определить свое местоположение по ту или иную сторону от спутника, и несколько таких измерений в сочетании с точным знанием орбиты спутника могут зафиксировать определенное положение. Ошибки орбитального положения спутника вызваны рефракцией радиоволн , изменениями гравитационного поля (поскольку гравитационное поле Земли неоднородно) и другими явлениями. Группа под руководством Гарольда Л. Джури из Pan Am Aerospace Division во Флориде с 1970 по 1973 год нашла решения и/или исправления для многих источников ошибок. [ необходима цитата ] 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 его точные орбитальные данные. Первоначально Военно-морская обсерватория США (USNO) непрерывно наблюдала за точными орбитами этих спутников. По мере отклонения орбиты спутника USNO отправляла обновленную информацию на спутник. Последующие трансляции с обновленного спутника содержали его самые последние эфемериды .
Современные системы более прямые. Спутник транслирует сигнал, содержащий орбитальные данные (из которых можно рассчитать положение спутника) и точное время передачи сигнала. Орбитальные данные включают грубый альманах для всех спутников, чтобы помочь в их поиске, и точные эфемериды для этого спутника. Орбитальные эфемериды передаются в сообщении данных, которое накладывается на код, который служит в качестве временной привязки. Спутник использует атомные часы для поддержания синхронизации всех спутников в созвездии. Приемник сравнивает время трансляции, закодированное в передаче трех (на уровне моря) или четырех (что также позволяет рассчитать высоту) различных спутников, измеряя время пролета до каждого спутника. Несколько таких измерений могут быть сделаны одновременно для разных спутников, что позволяет генерировать непрерывную фиксацию в реальном времени с помощью адаптированной версии трилатерации : см. Расчет позиционирования GNSS для получения подробной информации.
Каждое измерение расстояния, независимо от используемой системы, помещает приемник на сферическую оболочку на измеренном расстоянии от вещателя. Выполняя несколько таких измерений и затем ища точку, где они встречаются, генерируется исправление. Однако в случае быстро движущихся приемников положение сигнала перемещается по мере получения сигналов от нескольких спутников. Кроме того, радиосигналы немного замедляются по мере прохождения через ионосферу, и это замедление меняется в зависимости от угла приемника к спутнику, поскольку это изменяет расстояние через ионосферу. Таким образом, базовое вычисление пытается найти кратчайшую направленную линию, касательную к четырем сплющенным сферическим оболочкам, центрированным на четырех спутниках. Спутниковые навигационные приемники уменьшают ошибки, используя комбинации сигналов от нескольких спутников и нескольких корреляторов, а затем используя такие методы, как фильтрация Калмана, чтобы объединить зашумленные, частичные и постоянно меняющиеся данные в единую оценку положения, времени и скорости.
Общая теория относительности Эйнштейна применяется к коррекции времени GPS, в результате чего время на часах спутника GPS идет быстрее, чем на часах на Земле, примерно на 38 микросекунд в день. [10]
Первоначальная мотивация спутниковой навигации была связана с военными приложениями. Спутниковая навигация обеспечивает точность доставки оружия к целям, значительно увеличивая его летальность и одновременно снижая непреднамеренные потери от неправильно направленного оружия. (См. Управляемая бомба ). Спутниковая навигация также позволяет направлять силы и легче определять их местоположение, уменьшая туман войны .
Теперь глобальная навигационная спутниковая система, такая как Galileo , используется для определения местоположения пользователей и местоположения других людей или объектов в любой момент времени. Диапазон применения спутниковой навигации в будущем огромен, включая как государственный, так и частный секторы в многочисленных сегментах рынка, таких как наука, транспорт, сельское хозяйство, страхование, энергетика и т. д. [11] [12]
Способность поставлять спутниковые навигационные сигналы также является способностью отрицать их доступность. Оператор спутниковой навигационной системы потенциально имеет возможность ухудшить или устранить спутниковые навигационные услуги на любой территории, которую он пожелает.
В порядке первого года запуска:
Год первого запуска: 1978
Система глобального позиционирования США (GPS) состоит из 32 спутников на средней околоземной орбите в шести различных орбитальных плоскостях . Точное количество спутников меняется по мере вывода из эксплуатации и замены старых спутников. GPS, действующая с 1978 года и доступная по всему миру с 1994 года, является наиболее используемой в мире спутниковой навигационной системой.
Год первого запуска: 1982
Бывшая советская , а теперь российская , Глобальная Навигационная Спутниковая Система ( ГЛОНАСС ) — это космическая спутниковая навигационная система, которая обеспечивает гражданскую радионавигационную спутниковую службу и также используется Войсками воздушно-космической обороны России. ГЛОНАСС имеет полное глобальное покрытие с 1995 года и имеет 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 было введено 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). 16-спутниковая региональная версия (охватывающая Азиатско-Тихоокеанский регион) была завершена к декабрю 2012 года. Глобальное обслуживание было завершено к декабрю 2018 года. [14] 23 июня 2020 года развертывание созвездия BDS-3 было полностью завершено после того, как последний спутник был успешно запущен в Центре запуска спутников Сичан . [15]
Год первого запуска: 2011
Европейский союз и Европейское космическое агентство в марте 2002 года договорились о внедрении собственной альтернативы GPS, названной системой позиционирования Galileo . Galileo начала функционировать 15 декабря 2016 года (глобальная ранняя эксплуатационная готовность, EOC). [16] При предполагаемой стоимости в €10 млрд, [17] система из 30 спутников MEO изначально планировалась к эксплуатации в 2010 году. Первоначальным годом начала эксплуатации был 2014 год. [18] Первый экспериментальный спутник был запущен 28 декабря 2005 года. [19] Ожидается, что Galileo будет совместима с модернизированной системой GPS . Приемники смогут объединять сигналы как со спутников Galileo, так и со спутников 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] Основной модуляцией, используемой в сигнале Galileo Open Service, является модуляция Composite Binary Offset Carrier (CBOC).
NavIC (аббревиатура от Navigation with Indian Constellation ) — это автономная региональная спутниковая навигационная система, разработанная Индийской организацией космических исследований (ISRO). Правительство Индии одобрило проект в мае 2006 года. Она состоит из созвездия из 7 навигационных спутников. [23] Три спутника размещены на геостационарной орбите (GEO) , а остальные 4 — на геосинхронной орбите (GSO), чтобы иметь большую зону покрытия сигнала и меньшее количество спутников для картирования региона. Она предназначена для обеспечения всепогодной абсолютной точности определения местоположения лучше 7,6 метров (25 футов) по всей Индии и в пределах региона, простирающегося примерно на 1500 км (930 миль) вокруг нее. [24] Расширенная зона обслуживания находится между первичной зоной обслуживания и прямоугольной зоной, ограниченной 30-й параллелью к югу до 50-й параллели к северу и 30-м меридианом к востоку до 130-го меридиана к востоку , на расстоянии 1500–6000 км от границ. [25] Была заявлена цель полного индийского контроля, при этом космический сегмент , наземный сегмент и пользовательские приемники будут построены в Индии. [26]
Созвездие находилось на орбите с 2018 года, и система стала доступна для публичного использования в начале 2018 года. [27] NavIC предоставляет два уровня обслуживания: «стандартное обслуживание позиционирования», которое будет открыто для гражданского использования, и «ограниченное обслуживание» (зашифрованное ) для авторизованных пользователей (включая военных). Существуют планы по расширению системы NavIC путем увеличения размера созвездия с 7 до 11. [28]
Индия планирует сделать NavIC глобальной, добавив еще 24 спутника MEO . Global NavIC будет бесплатным для использования мировой общественностью. [29]
Первые два поколения китайской навигационной системы BeiDou были разработаны для обеспечения регионального покрытия.
Дополнение GNSS — это метод улучшения характеристик навигационной системы, таких как точность, надежность и доступность, посредством интеграции внешней информации в процесс вычислений, например, широкополосная система дополнения , европейская геостационарная навигационная служба , многофункциональная спутниковая система дополнения , дифференциальная GPS , дополненная навигация с использованием GPS (GAGAN) и инерциальные навигационные системы .
Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) — это четырёхспутниковая региональная система передачи времени и усовершенствование для GPS, охватывающее Японию и регионы Азии и Океании . Услуги QZSS были доступны на экспериментальной основе с 12 января 2018 года и были запущены в ноябре 2018 года. Первый спутник был запущен в сентябре 2010 года. [30] Независимая спутниковая навигационная система (от GPS) с 7 спутниками запланирована на 2023 год. [31]
Европейская геостационарная навигационная служба (EGNOS) — это спутниковая система дополнения (SBAS), разработанная Европейским космическим агентством и EUROCONTROL по поручению Европейской комиссии . В настоящее время она дополняет GPS , сообщая о надежности и точности своих данных позиционирования и отправляя поправки. Система дополнит Galileo в будущей версии 3.0.
EGNOS состоит из 40 станций мониторинга целостности дальности, 2 центров управления полетами, 6 навигационных наземных станций, широкополосной сети EGNOS (EWAN) и 3 геостационарных спутников . [32] Наземные станции определяют точность данных спутниковых навигационных систем и передают их на геостационарные спутники; пользователи могут свободно получать эти данные с этих спутников с помощью приемника с поддержкой EGNOS или через Интернет. Одно из основных применений системы — в авиации .
Согласно спецификациям, точность определения горизонтального положения при использовании поправок EGNOS должна быть лучше семи метров. На практике точность определения горизонтального положения находится на уровне метра.
Аналогичные услуги предоставляются в Северной Америке системой широкозонного дополнения (WAAS), в России — системой дифференциальных поправок и мониторинга (SDCM), а в Азии — японской многофункциональной спутниковой системой дополнения (MSAS) и индийской системой дополненной навигации на основе GPS (GAGAN).
Galileo и EGNOS получили бюджет в размере 14,6 млрд евро на шестилетний период исследований и разработок с 2021 по 2027 год. [33]Использование нескольких систем GNSS для позиционирования пользователя увеличивает количество видимых спутников, улучшает точное позиционирование точки (PPP) и сокращает среднее время сходимости. [42] Ошибка определения 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. [43] Средние SISRE спутников BDS-3 MEO, IGSO и GEO составили 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 BDS-3 MEO была немного ниже 0,4 м Galileo, немного выше 0,59 м GPS и значительно выше 2,33 м ГЛОНАСС. SISRE BDS-3 IGSO составил 0,90 м, что сопоставимо с 0,92 м QZSS IGSO. Однако, поскольку спутники BDS-3 GEO были недавно запущены и не полностью функционировали на орбите, их средний SISRE был немного хуже, чем 0,91 м спутников QZSS GEO. [3]
Доплеровская орбитография и радиопозиционирование, интегрированное со спутником (DORIS) — французская система точной навигации. В отличие от других систем GNSS, она основана на статических передающих станциях по всему миру, приемники находятся на спутниках, чтобы точно определять их орбитальное положение. Система может также использоваться для мобильных приемников на суше с более ограниченным использованием и покрытием. При использовании с традиционными системами GNSS она повышает точность определения местоположения до сантиметровой (и до миллиметровой для альтиметрического применения, а также позволяет отслеживать очень мелкие сезонные изменения вращения и деформаций Земли), чтобы построить гораздо более точную геодезическую систему отсчета. [44]
Две текущие действующие сети спутниковой телефонии на низкой околоземной орбите (LEO) способны отслеживать приемопередающие устройства с точностью до нескольких километров, используя расчеты доплеровского сдвига со спутника. Координаты отправляются обратно на приемопередающее устройство, где их можно считать с помощью AT-команд или графического пользовательского интерфейса . [45] [46] Это также может использоваться шлюзом для наложения ограничений на географически привязанные тарифные планы.
Международный союз электросвязи (МСЭ) определяет радионавигационную спутниковую службу ( РСС ) как « службу спутникового радиоопределения, используемую для целей радионавигации . Эта служба может также включать фидерные линии, необходимые для ее работы». [47]
РНСС рассматривается как служба безопасности жизни и неотъемлемая часть навигации , которая должна быть защищена от помех .
Воздушная радионавигационная спутниковая служба ( ARNSS ) — согласно статье 1.47 Регламента радиосвязи (РР ) Международного союза электросвязи (МСЭ ) [ 48] — определяется как « радионавигационная служба , в которой земные станции расположены на борту воздушных судов ».
Морская радионавигационная спутниковая служба ( МРНСС ) — в соответствии со статьей 1.45 Регламента радиосвязи (РР ) Международного союза электросвязи (МСЭ) [49] — определяется как « Радионавигационная спутниковая служба , в которой земные станции расположены на борту судов ».
Регламент радиосвязи МСЭ (статья 1) классифицирует службы радиосвязи следующим образом:
Распределение радиочастот осуществляется в соответствии со статьей 5 Регламента радиосвязи МСЭ (редакция 2012 г.) [50] .
Для улучшения гармонизации использования спектра большинство распределений служб включены в национальные Таблицы распределения и использования частот в рамках ответственности соответствующей национальной администрации. Распределения:
ISRO/DOS будет работать над расширением покрытия с регионального до глобального, чтобы обеспечить доступность автономного сигнала NavIC в любой части мира без зависимости от других GNSS и содействовать широкому использованию индийской навигационной системы по всему миру.