Система спутниковой навигации gps

Что было до

На заре авиации не было радаров, поэтому свое местоположение экипаж воздушного судна определял самостоятельно и сообщал о ней диспетчеру. Экипаж ориентировался на местности визуально по населенным пунктам, озерам, рекам, холмам и находил свое место на карте. Подобный способ требовал постоянного визуального контакта с землей, что попросту отсутствовало в плохую погоду, ограничивая возможности полетов.

Первыми навигационным средствами стали радиомаяки (NDB — Non-Directional Beacon), передающие по круговой диаграмме направленности опознавательный сигнал (это две или три буквы латинского алфавита, которые передаются азбукой Морзе) на определенной частоте. Ну а приемник на воздушном судне указывает направление на такой радиомаяк. Для определения точного местоположения необходимо не менее 2-х радиомаяков (двух азимутов от них), и самолеты стали летать от маяка к маяку. Так появились первые воздушные трассы для полетов по приборам, в том числе в облаках и ночью. Правда, точность определения координат скоро стала недостаточной. Тогда радиоинженерами был создан высокочастотный всенаправленный радиомаяк VOR (Very high frequency Omni-directional Radio range). VOR передает свой опознавательный индекс азбукой Морзе из трех латинских букв.

Необходимость знания двух азимутов для определения своего положения требовала слишком большого количества радиомаяков. Для решения этой проблемы было разработано так называемое дальномерное оборудование DME (Distance Measuring Equipment), и с помощью специального приемника на борту стало возможным узнать удаление от DME. И если устройства VOR и DME расположить в одной точке, то по азимуту и удалению от системы VORDME несложно вычислить свое местоположение.

Однако, чтобы расставить маяки повсюду, их нужно слишком много, а зачастую необходимо еще точнее определить свою позицию. Так появились так называемые «точки» (fixes, intersections), которые всегда имели известные азимуты от двух или более радиомаяков. То есть воздушное судно легко могло определить, что оно в данный момент находится именно над этой точкой. Теперь воздушные трассы стали проходить между радиомаяками и точками. Появление систем VORDME позволило размешать точки не только на пересечениях азимутов, но на радиалах и удалениях от объектов VORDME. Ну а все, что разработано для воздушных судов, может быть с успехом использовано и для морских.

На современных воздушных судах установлены системы спутниковой навигации, инерциальные системы исчисления и полетные компьютеры, точность которых достаточна для того, чтобы находить точки, которые не связаны ни с VORDME, ни с NDB, а просто имеют географические координаты. В итоге в современном мировом воздушном пространстве на маршруте полета длительностью несколько часов может не быть ни одного VOR или NDB маяка. И вот выясняется, что это не всегда хорошо.

Система координат и шкала времени

Система координат

Передаваемые каждым космическим аппаратом системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного
КА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90, определяемой следующим образом:

• начало координат расположено в центре масс Земли;
• ось Z направлена в Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);
• ось X направлена по линии пересечения плоскости экватора Земли и начального меридиана, установленного Международным бюро времени (BIH);
• ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Справочный документ «ПАРАМЕТРЫ ЗЕМЛИ 1990 ГОДА» (ПЗ-90.11)

Система времени

В качестве шкалы системного времени ГЛОНАСС принята условная непрерывная шкала времени, формируемая на основе шкалы времени Центрального синхронизатора системы.
Центральный синхронизатор оснащен водородными стандартами частоты.

Опорной шкалой времени для системы ГЛОНАСС является национальная координированная шкала времени России UTC(SU).
Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU) не должна превышать 1 мс.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы координированного всемирного времени UTC.

Система координат и шкала времени

Система координат

Параметры движения КА БЭЙДОУ передаются в китайской геодезической системе координат 2000 г. (China Geodetic Coordinate System 2000 – CGCS2000).
Центр данной системы координат совпадает с центром масс Земли. Ось Z направлена на опорный полюс Международной службы вращения Земли (IERS Reference Pole),
ось X – из центра системы координат в точку пересечения опорного меридиана Международной службы вращения Земли (IERS Reference Meridian) и плоскости, перпендикулярной оси Z. Ось Y дополняет данную систему координат до правой тройки.

Система времени

В качестве шкалы времени системы определено китайское универсальное глобальное время, которое поддерживается атомными стандартами частоты,
установленными в центре управления в Пекине. Время системы БЭЙДОУ (BDT) связано с координированным всемирным временем (UTC) и синхронизировано с ним с точностью 100 нс.
Началом отсчёта BDT является 0 ч 0 мин 1 января 2006 (UTC). По заявлению создателей системы, предусмотрена совместимость BDT со временем GPS/Galileo.
Расхождение между шкалами времени GPST/GST измеряется и передаётся.

Применение GPS

Приёмник сигнала GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях.
GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-глонасс.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии, «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

Высказывались предложения об интеграции систем Iridium и GPS.

О системе БЭЙДОУ

Идея создания китайской национальной региональной навигационной системы была предложена в 1983 году. Концепция системы, использующей два геостационарных космических аппарата
(рабочее название системы Twinsat), прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент проводился на базе двух связных космических аппаратов DFH-2/2A, уже находившихся
на орбите.

Первый этап создания системы БЭЙДОУ (Beidou – Северный Ковш – китайское название созвездия Большой Медведицы) был начат в 1994 году.
В 2000 году было запущено два геостационарных спутника: космический аппарат (КА) Beidou-1A (30 октября 2000) и Beidou-1B (20 декабря 2000).
Аппараты системы Beidou-1 построены на базе связной геостационарной платформы DFH-3. 15 декабря 2003 китайская система БЭЙДОУ первого поколения была сдана в эксплуатацию.
Запуск третьего геостационарного спутника Beidou-1C в 2003 году улучшил эксплуатационные характеристики системы.

Развитие системы БЭЙДОУ второго поколения БЭЙДОУ-2 началось в 2004 году. К концу 2012 года было запущено еще 14 спутников (5 геостационарных спутников,
5 спутников на наклонной геосинхронной орбите (ГСНО) и 4 спутника на средних орбитах), что позволило завершить развертывание орбитальной группировки. БЭЙДОУ-2 была разработана
по принципу совместимости с БЭЙДОУ-1, с применением схемы пассивного позиционирования, что позволяло ей обеспечивать пользователей в странах Азиатско-тихоокеанского региона услугами
определения местоположения, скорости, времени, широкодиапазонных дифференциальных поправок и отправки коротких сообщений.

Третий этап – это создание системы третьего поколения БЭЙДОУ-3, начат в 2009 году.
Основной целью является обеспечение к 2018 году основных услуг для пользователей, находящихся на территории и акватории обоих Шелковых путей (сухопутного и водного),
а также соседних регионов, и завершение развертывания орбитальной группировки из 35 КА, предназначенной для обеспечения услугами пользователей глобально к 2020 году.

О системе GPS

История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 г., когда Управление совместных программ,
входящее в состав Центра космических и ракетных исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать и развернуть навигационную
систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging),
из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости потребителей,
и синхронизации шкал времени. Поскольку инициатором создания GPS являлось Министерство обороны США, то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности.
Отсюда ещё одно раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense Navigation Satellite System – DNSS).

Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми космических аппаратов (КА) Block I для создания демонстрационной системы.
Первый КА был запущен 22 февраля 1978, и в том же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА.

Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20200 км и наклонением 63°.
К моменту начала серийного производства в 1989 году космических аппаратов модификации было принято решение об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличено до 6.

Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC).
Этап IOC начался в 1993 году, когда в составе орбитальной группировки насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению.
Переход в режим FOC состоялся в июле 1995, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года.
Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже в течение более чем двух десятилетий, при этом на протяжении всей своей истории GPS постоянно модернизировалась
с целью удовлетворения требований различных категорий как гражданских, так и военных потребителей.

При проектировании GPS предполагалось, что точность навигационных определений при использовании C/A-кода будет в пределах 400 м.
Реальная точность измерений по C/A-коду оказалась в 10 и более раз выше – 15-40 м (СКО) по координатам и доли метра в секунду по скорости.
Возможность получения такой точности измерений с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения, что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным противником, в том числе в системах высокоточного оружия.
В качестве защитной меры, начиная с космического аппарата Block II, в GPS были реализованы два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей –
селективный доступ и одновременно принятые меры по защите от так называемых уводящих помех.
Деактивация режима селективного доступа была осуществлена 2 мая 2000 г. около 4:00 (UT). Точность автономной навигации возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий.

Текущий третий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство космических аппаратов следующего поколения , которые в сочетании с усовершенствованным
наземным комплексом управления и навигационной аппаратурой потребителей обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности,
доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.

Точность и частоты

Как и GPS и Galileo, BeiDou предоставляет свои услуги на двух разных уровнях — свободно доступный сервис для гражданского использования и ограниченный вариант для военных. Гражданская служба имеет точность отслеживания местоположения 10 метров и точность синхронизации часов 10 наносекунд.

С другой стороны, ее услуги с ограниченным доступом имеют гораздо более высокую точность отслеживания 10 сантиметров и обладают расширенными возможностями передачи данных. Доступ к каналу ограниченного доступа BeiDou на сегодняшний день предоставляется только китайским и пакистанским вооруженным силам. Сигналы дальнего действия BeiDou основаны на методе множественного доступа с разделением кода (CDMA).

Частотное распределение GPS, Galileo и BeiDou 2 (компас)

BeiDou-2 имеет четыре признанных полосы частот: E1, E2, E6 и E5B (показаны красными полосами на рисунке выше). Как видно, все четыре его полосы пересекаются с полосами Галилея. Хотя эти типы перекрытий в определенной степени полезны (он может решить проблемы, связанные с проектированием приемника или наземного терминала), они в основном создают серьезные проблемы, такие как помехи сигнала.

Существует высокая вероятность того, что, если обе навигационные системы будут работать одновременно в одинаковых условиях, они будут испытывать сильные помехи, особенно в диапазонах E1 и E2, которые в настоящее время выделены для государственной службы Galileo.

Однако во избежание конфликтов такого типа Международный союз электросвязи (МСЭ) имеет универсальный закон «первым пришел — первым обслужен», который предоставляет права на определенную частоту нации, которая начинает вещание в ней первым. Любая последующая страна-пользователь, желающая использовать эту частоту, должна будет получить разрешение от страны-владельца до ее использования. Таким образом, обе стороны могут обеспечить отсутствие помех для их трансляции.

Теперь почти наверняка китайская BeiDou-2 начнет передачу в вышеупомянутых спорных полосах перед спутниками Galileo и, таким образом, получит основные права на эти частоты.

Дифференциальное измерение

Основная статья: Системы дифференциальной коррекции

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

Кроме того, есть несколько систем, которые посылают потребителю уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до 10 сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

На 2009 год имелись следующие бесплатные системы предоставления поправок: американская система WAAS (GPS), европейская система EGNOS (Galileo), японская система MSAS (QZSS). Они основаны на нескольких передающих поправки геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ завершено к 2016.

Еще немного прелюдии

Испытания систем, позволяющих подавить GPS-сигналы в помехах, уже проводились, и данная технология достаточно отработана для того, чтобы быть примененной на практике. В 2013 году, например, один из специалистов Техасского университета демонстрировал, как GPS-спуфинг может сбить с курса яхту с новейшим оборудованием. Ну а если вы считаете, что можете запустить нечто прямо в чье-то окно, то сегодня не стоит удивляться, если это нечто вдруг влетит прямо в то окно, из которого отдали приказ о его запуске.

Впрочем, двойное применение системы GPS было заложено еще в самом начале ее развития. Во времена войн США с Ираком официальный представитель министерства обороны США заявил, что американские военные способны подавлять сигналы GPS гражданского диапазона регионально, и от этой возможности отказываться не собираются, а подавление доступа к GPS в невоенном диапазоне в пределах «театра боевых действий» может существенно ослабить возможности вооруженных сил Ирака. Доступ гражданских пользователей во всем мире к высокоточным сигналам GPS, ранее доступным только военным и специальным правительственным службам США, открыл своим указом 1 мая 2000 года президент США Билл Клинтон. До этого момента гражданские сигналы GPS намеренно загрублялись, чтобы снизить точность определения координат (примерно в 5 раз). Гражданские сигналы системы GPS используют так называемый код C/A (coarse/acquisition). Военные используют т.н. «высокоточный» код p (precise code), который передается в более широкой полосе, чем гражданский. Это позволяет поставить гражданскому сигналу узкополосную помеху, тогда как военный будет продолжать функционировать. Постановщики помех могут быть размещены на возвышенных участках местности, на высоких антеннах или на борту специализированных самолетов.

Говорят, что локальное загрубление сигналов GPS уже имело место в ходе боевых действий в Афганистане, чтобы вооруженные приемниками GPS силы Талибана подольше блуждали по горам. А во время иракских событий целая флотилия рыбаков не один день блуждала по Индийскому океану в поисках дороги к дому, удивляясь на свои GPS-приемники. Южнокорейские рыболовные суда в последнее время все чаще раньше времени возвращаются в порт, когда у них пропадает GPS-сигнал. Ответственность возлагают на Северную Корею, которая, предположительно, глушит сигнал, но этого не признает. Сообщалось также, что в 2014 и 2015 годах аналогичная проблема прервала операции Береговой охраны США в двух портах, но компетентные лица не уточняли, в каких именно.

Как бы то ни было, вот вам и еще один вид электронного оружия, о котором давно знают военные, а теперь наслышаны и журналисты. А иногда в роли «оружия» выступает и сам абонентский приемник. Впрочем, сама система или помехи не всегда виноваты. – Однажды молодая девушка из канадской провинции Онтарио едва не погибла, доверившись указаниям GPS-навигатора, который ночью в дождь направил автомобиль к нужному пункту прямо через озеро. К счастью, погрузившись в озеро, девушка успела опустить стекло и выбраться наружу.