Cпутниковые системы разных стран
Потенциальные возможности спутниковой навигации появились с момента запуска первого ИСЗ. В настоящее время, спутниковые системы навигации широко используются для обеспечения навигации и позиционирования с высокой точностью для всех потребителей на любом месте и в любое время.
Глобальная Система Позиционирования(GPS) разработана и поддерживается на государственном уровне США. Спутниковая Система Глобальной Навигации (GLONASS) разработана в России. Обе эти навигационные системы уже функционируют.
Европейский Союз запланировал создать еще одну глобальную навигационную систему (GNSS) Galileo с бюджетом 3.8 миллиарда долларов еще в 1999.
Кроме того, другие страны: Китай, Индия и Япония также планируют строить свои собственные спутниковые системы навигации.
Основные услуги, которые предоставляют действующие навигационные системы, заключаются в позиционировании, то есть в определении местоположения объекта с в системе географических координат, измерение скорости перемещения объекта и передачи сигналов точного времени.
Использование этих услуг оказывает большое влияние на развитие новых технологий и стиль жизни людей. Спутниковая навигация стала важной инфраструктурой, так же необходимой, как дорожная сеть или сеть распределения электроэнергии. Некоторые эксперты полагают, что к 2015 году терминалы с функциями навигации будут распространены и востребованы подобно сотовым телефонам. По этим оценкам прекращение услуг навигации на 2 дня будет эквивалентно 1 миллиарду долларов убытков.
Прибыль спутниковой индустрии, которая работает на навигацию, достигает на данный момент 40 миллиардов долларов в год. Прибыль, которую принесут спутниковые системы навигации 2025 г., оценивается в размере 450 миллиардов EUR.
GPS(США)
Система GPS является единственной спутниковой системой навигации в настоящее время, которая обеспечивает предоставление услуг в глобальном масштабе.
Спутниковая группировка состоит из 24 непрерывно работающих спутников, расположенных в 6 орбитальных плоскостях, с наклонением 64.5о к плоскости Геостационарной орбиты(ГСО). Имеются и резервные спутники. Каждый спутник излучает так называемый Р код, обработка которого в GPS приемнике обеспечивает точность выше 10 м, и С/А код, обеспечивающий точность около 20 м.
С тех пор, как первый GPS спутник был запущен в феврале 1978 г., было запущено более, чем 50 спутников, начиная с GPS-I и далее 12 спутников GPS-IIR, 16 — GPS-II/IIA и 2 — GPS-IIR-M. Параметры GPS постепенно улучшались.
Первый спутник GPS-III будет запущен в 2012/2013, а новая спутниковая группировка заработает в новом составе к 2017/2018. Согласно текущему прогрессу, первый запуск спутника GPS-III вероятно будет отложен на 2015.
По сравнению с существующей системой GPS-III будет иметь следующие особенности.
— ожидаемый срок жизни спутника — 12-18 лет;
— стоимость каждого спутника — 100-120 миллион долларов;
— запуск двух спутников будет организован одной ракетой;
— способность борьбы с возможными помехами будет существенно усилена и интенсивность сигнал возрастет на 20 дБ;
— точность местоопределения составит 1 м без организации дополнительных мер, а такой недостаток GPS системы, как уязвимость от внешнего воздействия будет устранен.
Будут добавлены дополнительные услуги связи, приема и передачи сигналов бедствия и поиска объектов.
Российская ГЛОНАСС
ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система была разработана в 1978 г. Орбитальная группировка в полном составе из 24 спутников в 3-х орбитальных плоскостях с наклонением орбиты 64.5о была введена в действие в 1995 г.
Точность местоопределения — 30 метров для C/A-кода и около 10 метров для P-кода. С 1998, из-за недостатка ассигнований, орбитальная группировка GLONASS не поддерживалось должным образом. В результате, число действующих спутников сократилось на 9.
В 2005 правительство РФ одобрило Федеральную Программу Космических исследований на 2006-2015 г. с бюджетом 23.6 миллиард рублей. Россия собиралась иметь 18 действующих спутников к концу 2007 и 24 действующих спутника к концу 2010. В то же самое время Россия и Индия договорились далее разрабатывать систему GLONASS вместе.
Первый модифицированный спутник GLONASS-M был запущен 26 Декабря 2004. Тестирование спутника было успешно завершено и спутник введен в эксплуатацию. Спутник GLONASS-M передает два сигнала для гражданских потребителей и имеет ожидаемый срок эксплуатации 7 лет. Точность местоопределения и точность сигналов времени возросли в два раза благодаря точной температурной стабилизации часов Cs. Надежность и целостность системы GLONASS также улучшены. Девять новых спутников GLONASS-M разрабатываются в НПО ПМ
Новое поколение спутников GLONASS-K также разрабатывается в НПО ПМ. Масса спутника GLONASS-K в 2 раза меньше, чем спутника GLONASS-M, а срок активного существования составит 10 лет.
Спутники GLONASS-К будут передавать 3 сигнала в интересах гражданских потребителей и объединенный информационный пакет, который предоставить возможность оказания дополнительных услуг по спасению, поиску и связи в чрезвычайных ситуациях. Всего планируется заказать 27 спутников GLONASS-K.
Европейская Система Galileo
Программа GALILEO создается по инициативе Европейской Комиссии и (EC) и Европейского Космического Агентства (ESA) с целью обеспечения Европы собственной независимой глобальной навигационной системой и создания конкуренции, в первую очередь с GPS.
Совет Европейского Союза решил создать гражданскую систему навигации в Феврале 1999. Новая программа вскоре была названа Galileo, с бюджетом 80 миллионов Евро. Общие же затраты на систему GALILEO (30 спутников и земной сегмент) оцениваются в 3800 млн EUR. Создание системы разбито на 3 фазы.
В фазу разработки система GALILEO с бюджетом 1.1 миллиард Евро вошла в марте 2002. Четыре спутника будут запущены для тестирования и проверки принципиальных решений.
Следующая фаза развертывания системы GALILEO будет финансироваться на 1/3 из бюджетных источников и на 2/3 частными компаниями.
Последняя фаза штатного функционирования предусматривает самоокупаемость системы GALILEO.
Изначально у истоков GALILEO стояли 28 государств, входящих в ESA. При этом к GALILEO присоединились Китай, Израиль, Украина, Индия, Саудовская Аравия, Марокко и Корея. Так участие Китая предусматривало Договором от 2003 г финансирование в размере 200 млн EUR, из которых 70 млн – на первой фазе. В 2005 г. этот Договор был пересмотрен. Договора с другими выше перечисленными странами так же предусматривают их участие в GALILEO на определенных условиях.
Ведутся переговоры с Россией по взаимодействию между ГЛОНАСС и GALILEO. Такие государства, как Австралия, Аргентина, Бразилия, Япония, Малайзия, Мексика и Норвегия так же заинтересованы в участии в GALILEO.
Полная орбитальная группировка будет насчитывать 30 спутников в трех орбитальных плоскостях и круговых орбитах высотой 23616 км от Земли и наклонением орбиты 56о. В каждой из плоскостей будут находиться 9 рабочих и 1 резервный спутник. Каждый спутник будет иметь вес 700 кг, мощность 1600 Вт, размеры 2.7х1.1х1.2 м и ширину при развернутых солнечных батареях 13 м.
GALILEO будет передавать 10 сигналов различного назначения, что позволит обеспечить следующие виды услуг:
— доступные всем услуги по определению местоположения с точностью лучше, чем 9 м для массового потребителя;
— коммерческие услуги по определению местоположения с точностью выше, чем 1 м;
— услуги для служб спасения для всех видов транспорта;
— услуги для государственных служб, таких как полиция, пожарные, скорая помощь, для военных целей и для других служб жизнеобеспечения;
— услуги по поиску и спасению в дополнении к спутниковой системе COSPAS-SARSAT.
28 декабря 2005 г. первый спутник в системе GALILEO – GIOVE-A был запущен с космодрома Байконур ракетой Союз-Фрегат. К 2006 испытания были полностью завершены.
Выполнение программы GALILEO позволит создать 140 тысяч новых рабочих мест только в Европе, а после ее ввода в эксплуатацию годовой эффект будет достигать 10 млрд EUR.
Существуют проблемы с присоединением к GALILEO стран – не членов EU. Доступ к услугам с высокой точностью измерений будет для этих стран запрещен, что не устраивает, например Китай.
Индийская Спутниковая Региональная Система Навигации IRNSS
Правительство Индии одобрило 9 Мая 2006, проект развертывания Индийской Спутниковая Региональная Система Навигации (IRNSS) с бюджетом 14.2 миллиарда Рупий в течение следующих 6-7 лет. Спутниковая группировка IRNSS будет состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах. Причем четыре спутника из семи в IRNSS будут размещены на орбите с наклонением в 29о по отношению к экваториальной плоскости. Все семь спутников будет иметь непрерывную радио видимость с Индийскими управляющими станциями.
Спутники IRNSS будут использовать платформу, подобную той, которая используется на русском метеорологическом спутнике Kalpana-1 с массой 1330 кг и мощностью солнечных батарей 1400 Вт. Полезная нагрузка будет включать два 40 Вт твердотельных усилителя.
Земной сегмент IRNSS будет иметь станцию мониторинга, станцию, резервирования, станцию контроля и управления бортовыми системами. Государственная компания ISRO является ответственной за развертывание IRNSS, которая будет находиться целиком под контролем Индийского правительства. Навигационные приемники, которые будут принимать сигналы IRNSS, так же будут разрабатываться и выпускаться индийскими компаниями.
Китайская Навигационная Спутниковая Система Compass
Китай, являющийся наиболее быстро развивающейся страной в мире, также начал строительство своей собственной спутниковой системы навигации Compass.
Космический сегмент спутниковой системы навигации Compass будет сформирован из 5 спутников на Геостационарной орбите (ГСО) и 30 спутников на средней земной орбите.
Два типа услуг будут предусмотрены. Для общего пользования будет передаваться сигнал, обработка которого позволит добиться точности местоопределения в 10 м, скорости в 0.2 м/с и определения текущего времени с точностью 50 нс.
Ограниченный круг пользователей получит возможность измерений с большей точностью.
Три спутника на ГСО были выведены в 2000 г. Такая система их трех спутников в настоящее время предоставляет услуги местоопределения, точного времени и связи и успешно дополняет GPS.
Китай желает сотрудничать с другими странами в разработке спутниковой навигации, чтобы обеспечить взаимодействие Compass с другими глобальными навигационными системами.
Японская Quasi-Zenith навигационная система QZSS
Первоначально Японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. В марте 2006 Японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнется второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объем услуг. Новая дата для запуска первого спутника была перенесена на 2010 г.
Всего в спутниковый сегмент войдут 3 спутника, орбиты которых будут выбраны таким образом, чтобы их подспутниковые точки описывали на земной поверхности одну и ту же траекторию с одинаковыми временными интервалами. При этом, по крайней мере один спутник будет виден под углом места более 70 градусов в любое время на территории Японии и Кореи. Эта особенность и определила название навигационной системы Quasi-Zenith. Антенны спутников будут передавать сигналы практически во всей зоне видимости спутников, обеспечивая навигацию и передачу сигналов точного времени. Однако сигналы L1-SAIF, которые включают в себя различные поправки, позволяющие повысить точность измерений с помощью сигналов GPS и, возможно, GALILEO, будут передаваться с помощью параболической антенны только на Японию.
Сигналы, которые будут излучать спутники QZSS, полностью совместимы с сигналами будущей GPS. Японская QZSS в основном предназначена для улучшения характеристик GPS на национальной и некоторых соседних территориях. Ожидается, что внедрение QZSS позволит существенно повысить эффективность решения навигационных и других задач и придаст ускорение внедрению новых применений для навигации, которые требуют большей точности и надежности.
Почему нужно участвовать в развитии навигационных систем
В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы GPS, GLONASS и GALILEO. Практически во всех странах в настоящее время широко используется только GPS, нормальное функционирование которой целиком зависит от правительства США. В некоторых областях, как например диспетчеризация полетов самолетов, использование GPS является неотъемлемой важнейшей составной частью инфраструктуры.
В то же время навигационные системы в ближайшем будущем составят неотъемлемую часть инфраструктуры государства, и напрямую будут влиять не только на безопасность, но и на развитие промышленного производства в целом.
Ни одно государство не может и не хочет, в своем развитии, зависеть в какой-либо области от другого, хотя и дружественного в данный момент, государства. Поэтому поиск альтернативы GPS и привел к созданию GALILEO и присоединению к ней многих развитых государств. Преимущества, которые появляются от присоединения к альтернативной навигационной системе на этапе ее развития следующие:
— диверсификация рисков, связанных с работой GNSS, посредством диверсификации инфраструктуры земного сегмента и используемого оборудования;
— создание новых рабочих мест при условии разработки и экспорта нового оборудования для GNSS;
— возможность заблаговременного внедрения технологических преимуществ использования GNSS в системы связи, транспорта и развитие новых технологий.
Источник
Глобальные системы позиционирования
Существуют две глобальные системы позиционирования — Global Positioning Systems (GPS). В Советском Союзе создана ГЛОНАСС — Глобальная Навигационная Спутниковая Система. В США создана американская NAVSTAR — Navigation System with Timing and Ranging — навигационная система, основанная на измерении времени и дальности. Американская система работает в операционном режиме, то есть она в полной мере технически и коммерчески реализована. Геодезист или навигатор, желающий стать пользователем этой системы, может приобрести аппаратуру и программное обеспечение (soft). Приемники и программное обеспечение ГЛОНАСС пока не столь доступны. Здесь рассмотрена GPS NAVSTAR как система более доступная пользователю-геодезисту. Для краткости будем далее называть ее, как это делают все, просто GPS. О ГЛОНАСС написано в изданной в МГУ книге Б.Б. Серапинаса [25] и в книге [28]. Официальная информация находится по адресу:
GPS NAVSTAR GLOBAL Positioning System
Термин позиционирование означает не только определение местоположения, то есть координат объекта. Вместе с координатами определяют вектор скорости его движения. Проще говоря, определяют направление и скорость движения объекта. Координаты и составляющие скорости задают вектор состояния объекта. Таким объектом может быть судно, корабль, самолет, вертолет, спутник, автомобиль, пеший оператор, либо другой подвижный носитель. Перед разработчиками системы ставилась определенная задача. Система должна обеспечивать определение вектора состояния пользователя в любое время, в любой точке земной поверхности и с точностью, необходимой пользователю. Опыт показывает, что эта задача решена. Придерживаясь информации, содержащейся в работе [6], приведем данные об истории создания GPS.
Система находится в ведении Офиса Объединенной Программы — Joint Program Offise (JPO). Офис расположен в Космическом подразделении командных систем военно-воздушных сил США — Air Force Systems Command Space Division. Подразделение находится на базе военно-воздушных сил США — Air Force Base (AFB) — в Лос-Анджелесе. В 1973 году JPO получил приказ Министерства Обороны США «установить, разработать, тестировать, освоить и развернуть спутниковую систему позиционирования». NAVSTAR является результатом выполнения этого приказа. Общепринятое определение системы звучит следующим образом. Глобальная система позиционирования (GPS) NAVSTAR является всепогодной спутниковой навигационной системой, разработанной Министерством Обороны США с тем, чтобы отвечать требованиям вооруженных сил по точному определению местоположения объектов, скорости их перемещения, а также по точной временной привязке в единой системе относимости в любой точке земной поверхности или окружающего пространства в непрерывном режиме. Геодезисты сразу поняли, что эту военную навигационную систему можно эффективно использовать в мирных геодезических целях.
Интересно, что до того, как был разработан навигационный кодовый приемник GPS, геодезисты успели разработать и создать геодезический фазовый приемник Макрометр. Спутниковая система дороже системы наземного базирования. Спутники необходимо создавать, запускать, отслеживать, оберегать и по мере выработки ресурса — ликвидировать. На затраты идут потому, что спутниковая система совмещает глобальность с высокой точностью позиционирования. Действительно, существуют глобальные наземные системы, но они, являясь длинноволновыми или сверхдлинноволновыми, определяют местоположение судна в открытом океане с ошибкой около мили. Существуют ультракоротковолновые высокоточные системы наземного базирования, но они определяют координаты объекта лишь в пределах прямой видимости, то есть на расстоянии в 10-20 километров. Спутниковая система является высокоточной, поскольку работает в диапазоне сверхвысоких частот. Одновременно она является глобальной, потому, что в любой точке земной поверхности над горизонтом всегда находятся несколько спутников системы.
По геометрической сути спутниковая система является дальномерной. Можно было бы сказать, что измеряют расстояния от приемника до спутников и местоположение приемника определяют линейной засечкой. Однако такое утверждение верно лишь в первом приближении. На самом деле, как сказано ранее, в геотронике измеряют не расстояние, но величины, функционально с ними связанные. По физической или аппаратурной сути спутниковая система является беззапросной. Опорные генераторы спутника и приемника независимы и успешное выполнение измерений требует, чтобы их рассинхронизация была учтена. Система работает в трех неразрывно связанных режимах. Связь между режимами осуществляет, в основном, программное обеспечение.
Источник
