Журнал Компьютерра №739 - Компьютерра (читаем книги онлайн TXT) 📗
И все-таки оно вертится
GPS, Глонасс, Galileo… Кто в наше время не слышал этих заклинаний, особенно во время прошлогоднего чудесного возрождения отечественной навигации, живо напомнившего о временах "кукурузы - царицы полей"?
Избалованному возможностями современных навигационных сервисов потребителю кажется, что они появились еще бог весть когда - наверное, сразу после полета Юрия Гагарина. Меж тем и GPS, и Глонасс - относительно молодые системы, развернутые практически одновременно - в начале 1990-х годов. Только разработка Соединенных Штатов быстро получила толчок к коммерческому развитию, а наша наполовину развалилась при распаде сверхдержавы.
Кстати, изначально предполагалось, что название Global Positioning System (GPS) будет относиться к любым спутниковым системам позиционирования. А американскую службу официально именовали NAVSTAR (Navigation System Using Time and Ranging). Но поскольку она оказалась единственной полностью развернутой глобальной спутниковой системой, NAVSTAR стала называться GPS NAVSTAR, а чаще просто GPS.
Хотя американской навигационной системой пользуются во всем мире, ее главный ко зырь - высокоточное наведение оружия - остается в руках Пентагона. Вдоба вок Министерство обороны США мо жет от ключить сигнал со спутников для всех граж данских пользователей во всем мире (вклю чая пассажирские самолеты и корабли) или выборочно для какого-то географического региона[Достаточно крупного региона. Например, можно отключить сигнал для китайских потребителей, сохранив работу гражданских GPS-приемников на территории США. А вот Мексику полностью "отрубить" уже не получится; правда, там сигнал можно глушить локально с помощью наземных средств/авиации.]. Разумеется, подобная си туация другие страны не устраивает. Те, у кого есть выход в космос (Россия, Европа, Индия, Китай, Япония), разрабатывают или совершенствуют собственные системы спутникового позиционирования. В меж дународных документах все эти службы, включая GPS, обозначаются как GNSS (Global Navigation Satellites System - глобальные навигационные спутниковые системы, ГНСС).
Теперь, когда мы разобрались в терминологии, перейдем к общему устройству глобальных спутниковых служб на примере американской NAVSTAR и российской Глонасс. Эти навигационные системы имеют много общего (что неудивительно - ведь создавались они в одно и то же время).
Общие черты можно проследить в назначении, номинальном составе и принципе работы. Есть, конечно, и масса отличий, которые дают дополнительные преимущества при использовании разных навигационных систем гражданскими пользователями.
ГНСС предназначены для определения не только местоположения, но и скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и прочих потребителей. NAVSTAR и Глонасс - системы двойного назначения, разрабатывались по заказу и под контролем военных. Поэтому первое и главное назначение у них стратегическое.
Все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных (этот сигнал закодирован, доступ к нему может предоставить только министерство обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник), используют сигналы на основе псевдошумовых последовательностей, применение которых дает высокую помехозащищенность и надежность при невысокой мощности излучения передатчиков.
Навигационные системы GPS NAVSTAR и Глонасс состоят из трех основных компонентов: подсистемы космических аппаратов, подсистемы контроля и управления, а также навигационной аппаратуры потребителей.
Спутники, разбитые на группы, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли (около 20 тысяч километров). Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в сотне километров от поверхности[Это ограничение для гражданских потребителей. Военные могут пользоваться GPS и на больших высотах. В США, кстати, действуют ограничения на продажу навигационной аппаратуры, работающей на больших скоростях и высотах.] при используемой геометрии требуется 24 спутника (это справедливо и для GPS, и для Глонасс[Орбитальная группировка Глонасс сейчас неполна и насчитывает лишь шестнадцать спутников, из которых используются тринадцать.]). Орбиты 24 аппаратов образуют "сетку" над поверхностью Земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести.
У полностью развернутой спутниковой системы имеются также резервные устройства, по одному в каждой плоскости (у GPS плоскостей шесть, у Глонасс - три). В случае выхода из строя основного спутника вместо него могут быть оперативно задействованы резервные. Резервные спутники не бездействуют и тоже участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Они могут быть использованы и для улучшения покрытия какого-то отдельного региона.
Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с Земли, но в связи с небольшим запасом топлива на борту делается это только в исключительных случаях. Обычно в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника размещено несколько (три-четыре) эталонов времени и час тоты ("атомные часы"), но работает всегда только один эталон.
Подсистема контроля и управления состоит из центра и сети вспомогательных станций (чем шире они разбросаны, тем лучше). В задачи подсистемы входит котроль правильности функционирования спутников, уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При движении спутника в зоне видимости станции та осуществляет наблюдение за аппаратом, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и отправляет их в центр управления. Там происходит дальнейшая обработка информации и вычисляются координатные/корректирующие данные, подлежащие загрузке в бортовой компьютер спутника. При этом используется наземный эталон времени и частоты (более точный) для синхронизации бортовых "атомных часов" спутников.
