Основы спутниковой навигации



В статье рассказывается об истории создания таких крупных спутниковых системах навигации, как американской «GPS» и российской «ГЛОНАСС». В доступной и простой форме рассказывается о теоретическом принципе работы этих систем. А так же о всех проблемах, возникающих у аппаратов непосредственно на практике. Показан весь цикл производства и сборки этих аппаратов, а так же дальнейший их путь на космодром и вывод на орбиту. Также рассказывается о революции системы ориентации космических аппаратов, начиная от ориентации по звездам, заканчивая ориентацией по пульсарам. Затрагивается плюсы и минусы такой проблемы, как отсутствия альтернативы таким крупным системам как «GPS» и «ГЛОНАСС».

Ключевые слова: спутники навигации, GPS, ГЛОНАСС, производство, принцип работы, космические аппараты

На земной орбите постоянно вращаются искусственные спутники. По очень приблизительным подсчетам вокруг Земли кружат несколько тысяч спутников, которые делятся на 3 группы:

1. Спутники наблюдения — они снимают землю. И в их функции входит: мониторинг погоды, стихийных явлений, составление подробной карты местности. При этом, разрешение современных спутниковых снимков может достигать 31 см на один пиксель и этим может похвастаться спутник WorldWiew (рис. 1). [8,9,15]

Рис. 1. Спутник WorldWiew

Единственное, что такие спутники приблизительно находятся на высоте 600 км и совершают один оборот вокруг земли примерно за 100 минут и поэтому они не могут вести сьемку конкретного объекта.

2. Навигационные спутники — расположены на средней орбите и предназначены для определения местоположения географических координат наземных, водных и воздушных объектов. Спутниковые системы навигации также позволяют получить скорости и направления движенияприемника сигнала. Кроме того могут использоваться для получения точного времени. Такие системы состоят изкосмическогооборудования и наземного сегмента (систем управления). В настоящее время только две спутниковых системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара —GPSи ГЛОНАСС. (рис.2)

Рис. 2. Спутники навигации

3. Спутники связи — ретрансляторы. Расположены на геостационарной орбите, которая находится на 36786 км от поверхности Земли и в плоскости экватора. На этой орбите период обращения ровно сутки, поэтому они как бы зависают на месте. Основная их функция принимать сигнал со станции, усилить их и переизлучить на землю. И это излучение охватывает огромную территорию — зона покрытия (рис.3). [14,7]

Рис. 3. Зона покрытия спутников

О производстве спутников связи.

Производство легкового автомобиля начинается с листа стали, но а спутника с углеродного волокна. Детали из такого волокна служат скелетом спутника, но при этом они чрезвычайно легкие и прочные. Корпус делают из ячеистой фольги (сотовый заполнитель), которая сверху и снизу закрепляется алюминиевой или пластиковой пластиной и после сушки этот корпус становиться очень жестким и легким. Все детали спутника должны быть легкими и прочными.

А зачем нужна борьба за снижение веса? Любой спутник состоит как бы из двух больших частей: 1. Модуль служебных систем (двигатели, аккумуляторы, солнечные панели и т. д. То есть, все то, что необходимо для нормального функционирования на орбите). 2.Модуль полезной нагрузки (то зачем спутник находится на орбите — рабочие инструменты). Так вот, чем меньше вес аппарата, тем больше нагрузки он сможет взять.

Затем микросхемы, разные спутниковые аппаратуры соединяют в блоки, монтируют на корпусе. Навигационный спутник как бы обрастает новыми узлами и деталями.

Большинство деталей делают на разных производствах. Но одно дело сделать, а другое соединить вместе и проверить. Проверяют и перепроверяют каждый узел, провод. Спутник должен пройти ряд испытаний. К примеру электрические испытания-проверка электрических связей, параметры сигналов и имитация полета. Но перед это аппарат проходит совсем экзотические испытания на прочность.

Затем спутник пакуют в специальные контейнеры. Дальше автоколонной на аэродром и оттуда самолетом на Байконур. Но при этом параллельно прибывает ракетоноситель. Затем в Монтажно-испытательном корпусе РКН «Протон-М» идет объединение спутника и ракета-носителя. И после этого РН(ракета-носитель) превращается в РКН (ракету космического назначения).

Дальше путь на стартовую площадку. Ракету подвозят к пусковому столу, отстыковывают от железной дороги и вертикализируют. Затем идут 4 дня подготовительных работ. Затем баллистики назначают время старта.

После запуска и после того как отрабатывают все ступени РКН спутник с помощью своего разгоннового блока должен подняться с опорной орбиты на среднюю. После нескольких включений разгонного блока спутник не только поднимается на свою орбиту, но и меняет направление движения. [16]

Какой-то период времени люди запускали спутники, баллистические ракеты, ориентируясь исключительно по звездам. Но минус этого метода таков, что звезды двигаются, причем достаточно заметно.

Но теперь современная международная система отчета спутников осуществляется по квазарам. Квазары открыли в 1960 г., когда начали наблюдать небо в радио диапазоне. Название«квазар» (quasar) –аббревиатура употреблявшегосяранеетермина«звездообразныйрадиоисточник» (quasi-stellarradiosource). Люди наблюдали в радио диапазоне и обнаружили, что в радио диапазоне есть точечный источник света, что-то такое звездоподобное, но не звезда. Поэтому они квази-звездные объекты. И в 1963г. Мартен Шмидт смог расшифровать спектр и понять, что это очень далекие объекты, линии, спектры которых смещены сильно из-за расширения вселенной. Так чем хороши квазары? Это очень далекие объекты и поэтому они не как не двигаются. Еще в добавок в радио диапазоне можно точнее определять координаты, нежели а оптическом. Поэтому сейчас кто или что ориентируются по GPS или ГЛОНАСС, они ориентируются по квазарам (рис.4)

Рис. 4. Квазары

Но более того, есть ощущение, что это не последняя революция. Сейчас все крупные космические агентства в мире разрабатывают системы ориентации спутников, которые были бы основаны на наблюдении рентгеновских пульсаров. Это не те пульсары, которые в двойных системах, где вещество течет с обычной звезды на нейтронную звезду, образую иногда аккреционный диск и мы видим рентгеновский пульсации. Это объекты, которые являются радио пульсарами, но они излучают во всех диапазонах, в том числе и рентгеновском. Поэтому у некоторых мы можем наблюдать это рентгеновское излучение. И это хорошо тем, что пульсары — это фантастически точные часы. На масштабе нескольких лет ход пульсара точнее хода атомных часов. На масштабе 10–20 лет они легко перебивают современные атомные часы. Такой метод ориентировки используют только если спутнику не видно Землю и ему нужно самостоятельно совершать сложные маневры и определять свое место положения. Тогда точность измерения времени приходов импульсов нескольких радио пульсаров помогает ему в этом. В случае, когда спутник находиться на орбите земли, этот метод не целесообразен, так как есть телеметрия с землей (рис.5.) [1]

Рис. 5. Барицентр Солнечной системы

Но какова история создания самих спутников навигации, да и всей навигационной системы? Правительство США в 1973 году начало развертку программу, в последствии получившее название GPS — GlobalPositioningSystem. Первый спутник GPS был выведен на орбиту в 14 июля 1974 года. И эта передовая разработка была создана исключительно для военных целей. Однако, после того как в СССР сбили гражданский самолет, который случайно проник в из воздушное пространство в 1983 году, президент RonaldReagan предложил план, чтобы гражданские начали использовать следующие поколение GPS. Около 10 лет и 10 миллиардов долларов США потребовалось чтобы 1995 году получили доступ у упрощённой версии GPS. Точность у нее была гораздо ниже чем у военных, но в 2000 году президент Клинтон Билл позволил гражданским устройствам определять положение гораздо точнее.

Сегодня ВВС США продолжает поддерживать систему GPS. Было запущено 50 новых спутников в период 2005 по 2015 года.

А Советский Союз начал разработку своей системы еще в 60х годах, тогда проект отечественной спутниковой системы назывался «Циклон». Официально работу по созданию глобально навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС» началась в декабре 1967 года. Первое летное испытание спутников датированы 12 апрелем 1982 года, когда на орбиту был выведен спутник «Ураган». Не смотря на развал СССР, работа по созданию ГЛОНАСС продолжались и 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию министерством обороны России. Сейчас на околоземной орбите функционируют 28 космических аппаратов, составляющих группировку ГЛОНАСС.

Спутник представляет из себя контейнер диаметром 1.35 метра, в длину с выдвинутой антенной 7.84 метра и массой 1415 кг. Время активного существования такого спутника составляет 3–5 лет.

Но подобные спутниковые системы изготавливаются сейчас в Европе, Индии, Китае и Юго-Западной Азии. Хотя чисто технически достаточно и одной такой системы для обслуживания всех абонентов в любой точке планеты. Так для чего все стремятся создать собственную навигационную систему, если можно обойтись одной. Этому виной политика и опасение, что, например, GPS откажет, или ее просто сделают доступным лишь для авторизированных пользователей, путем кодирования радио сигнала. И тогда у других стран не останется альтернатив, равных по точности и скорости определения координат. Но у этой пряное есть и положительная сторона: объединив системы разных стран, можно будет повысить точность определения координат до нескольких сантиметров. [4,5]

А теперь ответ на вопрос: «как GPS и ГЛОНАСС понимают где мы находимся?». Ведь спутники не принимают от нас никаких сигналов, они словно одинокие маячки бороздят просторы космоса и безропотно передают нам сигналы. Наши телефоны и навигаторы их принимают, но ничего не отправляют обратно в космос, так что обнаружить таким способом невозможно.

В основе спутниковой навигации лежит бесхитростный принцип: Представьте себе что вы находитесь на огромной шахматной доске с завязанными глазами и вам нужно определить свои координаты. Вы знаете, что в двух углах шахматной доски располагаются некие звуковые источники, которые издают сигналы каждую секунду. На вашей руке есть часы, которые также вибрируют каждую секунду и синхронизированы с этими звуковыми сигналами. Но вы знаете, что звук распространяется с вполне определенной скоростью и поэтому приходит к вам с небольшим отставанием. Соответственно по задержке сигнала вы можете рассчитать расстояние до первого источника и тогда точно будете знать, что находитесь на окружности определенного радиуса вокруг него. Дождавшись сигнала со второго источника вы можете рассчитать расстояние до него и тогда на пересечении двух окружностей и будет ваше место положение.(рис.6.)

Рис. 6. Иллюстрация работы спутниковой навигации

Так и работают спутниковые навигационные системы. Только это происходит в трехмерном пространстве, вместо звуковых используют радио волны.(рис.7).

Рис. 7. Работа спутников навигации в трехмерном пространстве

И так как эти волны движутся намного быстрее, для точнейшей синхронизации источников необходимо атомные часы. Спутник что и делает, как отправляет сигналы, содержащие время. Когда сигнал долетает до устройства, он сравнивает время отправки и время получения. Используя нехитрую математику устройство определяет на каком расстояние от спутника вы находитесь в данный момент. К сожалению система GPS не идеальна и сигнал передается очень медленно, точнее 50 Бит в секунду. [6,10,11,12]

Во стольном все очень похоже: это по-прежнему расчет расстояния до спутников с известными координатами и нахождение себя на пересечении теперь уже не окружностей, а сфер (рис.8).

Рис. 8. Нахождение на пересечении 4х сфер

Но принцип работы, который я описал чисто теоритический, на практике все гораздо сложнее. Например: существует влияние ионосферы и тропосферы, где скорость сигнала замедляется. Естественные и искусственные препятствия для прохождения радиоволн. Сигнал имеет свойство отражаться от поверхности, что приводит к увеличению расстояния, которое он проходит до приемника и соответственно вызывает погрешность в результатах. А так же существуют помехи и наводки на сигнал. В связи со всеми этими погрешностями приходиться решать одновременно несколько задач и корректировать сигнал от спутников с помощью наземных станций, в том числе беспроводных технологий WI-FI и GSM. Сейчас во многих приемниках используют чип AGPS, который позволяет загружать в устройство актуальный альманах через сотовую сеть для ускорения и упрощения расчётов. Что повышает точность определения координат. [2,3,13]

Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что технология никогда не стоит на месте и поэтому новые системы обещают сделать геолокацию быстрее, точнее и менее ресурсозатратной.

Литература:

1. Сергей Попов: «Зачем нужна астрономия» https://www.youtube.com/watch?v=bBrcDqCwG2o&index=7&list=PLf8iQozIdvKhHKkeMJZf6mVY3UIYeJUkF (дата обращения 23.11.2016г)
2. Следят ли за нами по GPS? https://www.youtube.com/watch?v=wT5qnYTJWt8 (дата обращения 23.11.2016г)
3. Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС https://www.youtube.com/watch?v=o_udfcoflng (дата обращения 23.11.2016г)
4. Как устроена и работает система GPS. https://www.youtube.com/watch?v=LzQtEX32n4E (дата обращения 23.11.2016г)
5. «Подробно» о системе ГЛОНАСС и GPS. https://www.youtube.com/watch?v=EQFRNoe67bQ (дата обращения 23.11.2016г)
6. Гура Д. А., Шевченко Г. Г., Карслян А. М., Петренков Д. В. Особенности воздушного лазерного сканирования в теории и на практике на примере линейных объектов // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2016. № 8. С. 109–116.
7. Гура Д. А., Рыжкова А. А., Болобан Т. И., Болгова А. С., Черепанов А. С., Кашаев Б. Р. Основные геодезические работы в строительстве // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2016. № 2. С. 133–137.
8. Рудик Е. А., Гура Д. А. Проведение топографической съемки с применением спутниковых систем и электронных тахеометров // Сборник трудов конференции: Науки о земле на современном этапе. Материалы IV Международной научно-практической конференции. 2012. С. 118–120.
9. Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Фотограмметрия и дистанционное зондирование территорий // Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов заочной, дистанционной форм обучения и МИППС специальности 120303 Городской кадастр / Краснодар, 2010.
10. Брынь М. Я. и др. Инженерная геодезия // учебное пособие / Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Петербургский гос. ун-т путей сообщ. под ред. В. А. Коугия. Санкт-Петербург, 2007.
11. Желтко Ч. Н., Шевченко Г. Г., Бердзенишвили С. Г., Гура Д. А., Олейникова Л. А. Учебная геодезическая практика // Справочное пособие по организации и контролю учебной практики для студентов всех форм обучения направлений: 120700 — Землеустройство и кадастры, 270800 — Строительство, 130500 — Нефтегазовое дело, 271101 — Строительство уникальных зданий сооружений / ФГБОУ ВПО «КубГТУ», ООО «Издательский Дом — Юг». Краснодар, 2014.
12. Корелов С. Н., Гура Д. А., Шевченко Г. Г., Желтко Ч. Н., Желтко С. Ч., Бердзенишвили С. Г., Нелюбов Ю. С. Геодезические работы при ведении кадастра // Методические указания к практическим занятиям для студентов всех форм обучения специальности 120303 Городской кадастр и направления 120700.62 Землеустройство и кадастры / Краснодар, 2011.
13. Бердзенишвили С. Г., Гура Д. А., Желтко Ч. Н., Кравченко Э. В. Картография // ФГБОУ ВПО «КубГТУ», ООО «Издательский Дом — Юг». Краснодар, 2014, 66 с.
14. Гура Д. А., Доценко А. Е. О необходимости выполнения геодезической съемки // Сборник трудов конференции: Актуальные вопросы науки. Материалы IX Международной научно-практической конференции. 2013. С. 204–205.
15. Клюшин Е. Б., Гайрабеков И. Г., Ваганов И. А. Спутниковые методы измерений в геодезии // Учебное пособие / Москва, 2013. Том Часть 2
16. Ехперементы. Спутники связи. Https://www.youtube.com/watch?V=eodegiiemao&t=1343s (дата обращения 23.11.2016г)