Что такое навигационный сигнал гнсс
Помехи в глобальных навигационных спутниковых системах
Эта статья была написана в связи с тем, что в русскоязычном сегменте интернета очень трудно найти подобную информацию, а в англоязычном её следует собирать по крупицам. Я работаю в сфере разработки навигационных приёмников, и, в частности, помехоустойчивых. Эта статья содержит небольшой ликбез о навигации как таковой, о типичном построении приёмников, а также об основных помехах и их влиянии. Если эта тема окажется интересной хабрасообществу, будет написано продолжение о различных методах борьбы с помехами и их эффективности.
Что такое ГНСС?
Глобальные навигационные спутниковые системы — сложные радиотехнические системы, предназначенные для определения местоположения, синхронизации шкал времени, задач картографии, точного позиционирования, строительства, сельскохозяйственных задач и многих других. ГНСС состоят из подсистемы космических аппаратов (КА), подсистемы контроля и подсистемы потребителей.
На данный момент полностью функционируют две ГНСС — GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). В стадии развёртывания также находятся системы из ЕС, КНР и Индии.
Особенностью сигналов ГНСС является очень малая мощность на поверхности земли, меньше уровня шума. Это вызвано малой мощностью сигнала, излучаемого с борта космического аппарата (порядка 60 Вт) и большой дальности (примерно 20.000 км). Однако, из-за применения широкополосных сигналов, при помощи корреляционной обработки сигналы с КА можно обнаружить и захватить.
Типовое построение приёмника
Если не вдаваться в подробности (а статья носит именно ознакомительный характер), то приёмник можно изобразить как на картинке выше: антенна, аналоговый и цифровой тракты, а также некий интерфейс и система питания. В задачи антенного тракта входит первичное усиление сигнала и выделение необходимых частотных диапазонов. В аналоговых трактах происходит дальнейшее множественное усиление, селекция (выборка по частотам) и перенос частоты.
В цифровом тракте происходит оцифровка сигнала, с дальнейшей многоканальной обработкой сигналов, где сигналу каждого спутника соответствует свой канал. В современных приёмниках таких каналов насчитывается уже порядка двухсот для возможности одновременной работы со всеми существующими и перспективными ГНСС и системами коррекции. Тут же следует упомянуть, что чаще всего при оцифровке сигнала используется 1-2 бита. Таким образом немного уменьшается отношение сигнал/шум, зато сильно упрощаются корреляторы.
После обнаружения спутников, начинается слежение за ними с последующим решением навигационной задачи, т.е. нахождением координат и смещения часов приёмника.
Какие помехи существуют?
Помехи могут быть как естественного происхождения, так и получаемые в результате деятельности человека. Вторые подразделяются на непредумышленные и организованные. Можно привести следующую краткую классификацию:
1. Помехи, нацеленные на разрушение навигационного сообщения
2. Спуфинг (имитация созвездия спутников)
Помимо этого, первые подразделяются по ширине полосы помехи на широкополосные (полоса частот сравнима с полосой атакуемого навигационного сигнала), а также на узкополосные.
Методы борьбы с этими помехами значительно различаются и для надёжной работы аппаратуры при проектировании следует иметь в виду возможность воздействия всех трёх.
Влияние помех
Выше изображен простейший постановщик узкополосной помехи, который можно заказать из Китая за 2000р. Подобное устройство спокойно может ухудшить работу приёмников в радиусе
50 км, а также полностью обезоружить их в радиусе
5 км. Это вызвано тем, как именно помехи влияют на приёмник:
1. Появление гармонических искажений в аналоговом тракте приёмника. Это приводит к тому, что вместо одной помехи в полосе частот появляется несколько;
2. При применении 1-2 бит при оцифровке сигнала, узкополосная помеха обрубается по амплитуде до меандра (прямоугольных импульсов) с последующим насыщением спектра гармониками помехами.
3. Происходит срыв слежения за спутниками в петлях слежения за задержкой кода и слежения за фазой несущего колебания.
4. В итоге это приводит к увеличению ошибки при декодировании навигационного сообщения.
В целом, при отсутствии мер по борьбе с помехами, это приводит к следующим эффектам:
1. Потеря слежения за спутниками;
2. Увеличение ошибки при кодовых изменениях;
3. Увеличение ошибки при фазовых измерениях;
4. Уменьшение соотношения сигнал/шум;
В первом случае вред от помех очевиден — пользователь не может определить свои координаты. Последующие факторы значительно ухудшают точность измерения псевдозадержек и псевдодоплеровских смещений частот и, соответственно, собственных координат приёмника. Таким образом, обычные бытовые приёмники не предназначены для использования в сложной помеховой обстановке.
Хорошо, а мне зачем это нужно?
Правильный вопрос. Из-за доступности простых постановщиков помех, как на картинке выше, они становятся всё более и более распространёнными. Существует множество известных случаев, например, когда подавитель на корабле ВМФ США был неправильно нацелен и парализовал жизнь всего города Сан-Диего, нарушив не только навигацию для конечных пользователей, но и системы временной синхронизации вышек сотовой связи, банкоматов и т.д.
Однако для нас, как для конечных пользователей, больший интерес и опасность представляют именно миниатюрные постановщики помех, которые преподносятся, как устройства для сохранения приватности (шапочка из фольги). Или, например, очень часто угонщики автомобилей используют совмещенные подавители ГНСС и мобильной связи для борьбы с умными сигнализациями, отправляющими положение автомобиля и сигнал бедствия диспетчеру и, уже бывшему, владельцу автомобиля.
Что не пишут в википедии о глобальных навигационных спутниковых системах
Вдохновлённый серией постов «Теория радиоволн», я решился на аналогичный пост о системах спутникового позиционирования. Я работаю в структуре, которая занимается обеспечением функционирования системы ГЛОНАСС, поэтому постараюсь рассказать о ней и её конкурентах с несколько другой точки зрения. Пост будет именно об их устройстве, попутно хотелось бы развеять несколько мифов.
Постараюсь обойтись без выкладывания прописных истин и сведений, которые любой желающий может почерпнуть в википедии, но порой без них не обойтись, прошу отнестись с пониманием.
Структура систем
Как это работает
Подсистема НКА представляет собой некоторое количество спутников, согласованно движущихся по специально выбранным орбитам. Основное условие при выборе орбит — в любой точке планеты в любой момент времени должно быть видно не менее 4 спутников (почему именно четыре, будет объяснено ниже). На каждом из аппаратов установлены атомные часы — цезиевые, рубидиевые или их комбинация, в зависимости от модификации — синхронизированные с часами на центральном синхронизаторе системы. Синхронизированные — это не значит что они идут синфазно, это значит что известна разница хода часов. Именно центральный синхронизатор и хранит так называемую системную шкалу времени. Наш центральный синхронизатор находится в Подмосковье, американский в Подвашингтонье, что и неудивительно.
Каждый аппарат излучает несущее колебание в двух частотных диапазонах L1 и L2. Все НКА системы GPS излучают на общих частотах, 1575,42 МГц и 1227,60 МГц для L1 и L2 соответственно, а НКА системы ГЛОНАСС излучают на разнесённых частотах, называемых литерами (аппараты, находящиеся на противоположных точках орбиты излучают на одной литере). Разница между литерами составляет 562,5 кГц, для поддиапазона L1 и 437,5 кГц для L2, нулевая литера имеет частоты 1602 МГц и 1245 МГц соответственно.
Несущее колебание модулируется специальной кодовой последовательностью таким образом, что фаза кодового сигнала совпадает с показаниями часов спутника (если кому интересно — модуляция фазовая). В системе GPS каждый аппарат имеет уникальную кодовую последовательность, что позволяет различать их сигналы, несмотря на общую частоту. В ГЛОНАСС же используется частотное разделение, поэтому все аппараты имеют одинаковую кодовую последовательность. Дополнительно сигналы спутников модулируются навигационными сообщениями, которые содержат параметры полиномиальной математической модели движения спутника и модели смещения показаний спутниковых часов относительно системной шкалы времени.
Структура сигнала космических аппаратов ГЛОНАСС
Навигационные сообщения также содержат параметры ионосферы (позволяет учитывать задержку сигналов в ионосфере), разницу между системной шкалой времени и мировой координированной шкалой времени и много еще всякой другой полезной информации. Упрощенно, подсистема НКА — это сеть синхронизированных, движущихся в пространстве часов, с известными в любой момент координатами.
Наземный комплекс управления — это сеть наземных станций, обеспечивающих определение параметров движения космических аппаратов, параметров хода их часов.На пунктах ведутся измерения параметров вращения планеты, параметров атмосферы, там уточняют характеристики гравитационного поля Земли и обеспечивают хранение мировой системы координат. Функционально в состав НКУ входит немалое количество научно-исследовательских учреждений и лабораторий. Ну и разумеется, именно наземный комплекс все эти данные обрабатывает и закладывает на аппараты, которые уже транслируют их в составе навигационного сообщения.
Наземный комплекс — это и базовые пункты с калиброванными приёмниками, и пункты федеральной астрономо-геодезической сети, и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, и лазерные дальномеры, и множетсво других интересных вещей. Вообще функции наземного комплекса очень разнообразны, его деятельность слишком обширна, чтобы включить её в эту статью. Если кого-то заинтересует — попробую написать статью и об этом.
Сеть станций наземного комплекса управления ГЛОНАСС
Разумеется это сильно упрощенная схема работы навигационных систем, про любой компонент можно рассказывать очень долго. Так что, если кого-то заинтересует, я готов углубиться в любой из аспектов работы ГНСС.
Срыв покровов
Сразу скажу, тут я просто рассмотрю наиболее распространённые вопросы и заблуждения, с которыми сталкиваюсь постоянно. Ну и постараюсь объяснить реальное состояние дел, в меру своей компетентности конечно.
Почему ГЛОНАСС такой плохой?
Наиболее распространенный вопрос.
Начну с того, что ГЛОНАСС не во всём хуже GPS.
Например, в приполюсных областях группировка ГЛОНАСС обеспечивает лучшее покрытие, в силу более оптимальной конфигурации орбитальной группировки. Впрочем в приэкваториальных областях ситуация обратная по той же причине. Ноги растут из военного назначения обеих систем, а военные интересы Советского Союза и США были сконцентрированы именно в этих областях.
Кроме того, частотное разделение сигналов действительно улучшает помехоустойчивость системы ГЛОНАСС. Это же частотное разделение тянет за собой и множество проблем, но факт остаётся фактом — в случае вооружённого конфликта подавить нашу ГНСС будет сложнее.
Сама система непрерывно прогрессирует. Пусть не так быстро как хотелось бы, пусть это сопровождается коррупционными скандалами с какими-то астрономическими суммами, но весь мир признаёт, что ГЛОНАСС стабильно держится на дистанции четырёх-пятилетнего отставания от GPS, и разрыв не увеличивается. Кстати, не надо думать, что GPS сильно дешевле, он тоже стоит чудовищных денег, которые не всегда тратятся как следует.
Так почему же ГЛОНАСС отстаёт? Мало кто знает, что система ГЛОНАСС старше GPS на несколько лет (формально сама система моложе, но её прототипы появились раньше и сама отработка технологии началась раньше). Американцы разумеется наблюдали за её созданием, и создали свою, постаравшись учесть наши ошибки, которые другим способом предугадать было невозможно. Избежав наших системных ошибок, и не останавливая развитие (в отличие от нас, в девяностые вся наша спутниковая группировка едва не оказалась на дне Тихого океана) они превратились из отстающих в опережающих.
Военные коды
Как известно, НКА обеих систем излучают сигналы двух видов: стандартной точности (СТ-код для ГЛОНАСС, C/A для GPS) и высокой точности (аналогично ВТ-код и P/Y-код). СТ-код ГЛОНАСС излучается в обоих частотных диапазонах, а C/A код GPS только в частотном диапазоне L1 (за исключением нескольких НКА новой серии). Сигналы высокой точности излучаются в обоих частотных диапазонах. Различаются эти сигналы кодовой последовательностью, при этом сигналы с кодом высокой точности имеют более широкую полосу, что повышает точность и затрудняет подавление.
Традиционно сигналы высокой точности считаются военными, стандартные сигналы считаются гражданскими. Это только отчасти верно. Кодовая последовательность P-кода и ВТ-кода на данный момент открыта для широкого применения: американцы официально опубликовали свои кодовые последовательности, а заодно и наши (откуда они их узнали, оставим за кадром). Поэтому сейчас любой производитель совершенно свободно может создавать приёмники, принимающие военные сигналы (и создают, вся прецизионная аппаратура принимает все виды сигналов на всех частотах). Особенность в том, что в случае необходимости эти коды меняются по особому алгоритму, разумеется засекреченному. И вот после такой смены кодовых последовательностей только военная аппаратура сможет их принимать, поскольку в неё изначально этот самый алгоритм зашивается.
Более того, в случае необходимости на сигналы стандартной точности накладывается еще и кодирование, которое не мешает принимать эти сигналы, но не позволяет определять положение лучше пары сотен метров в принципе.
Все эти манипуляции могут производиться не глобально, а только над некоторым регионом земного шара, что продемонстрировали американцы во время войны в Ираке, лишив весь Ближний Восток нормального GPS. Аналогично поступали наши во время конфликта с Грузией, что особого резонанса не вызвало, поскольку пользователей ГЛОНАСС в Грузии не сыскать.
“Динозавры вымерли, потому что у них не было космической программы”. Ларри Нивен, американский писатель-фантаст.
Ларри Нивен предполагает, что если бы у динозавров была космическая программа, они могли бы перехватить и отклонить астероид, который, как некоторые думают, мог упасть на Землю и привести к исчезновению динозавров.
В отличие от динозавров, в некоторых странах сейчас существуют или планируются космические программы, которые включают создание национальных или региональных Глобальных Навигационных Спутниковых Систем. В этой главе мы вкратце рассмотрим эти системы.
На момент написания данной книги (2015 год, прим.) действуют следующие системы ГНСС:
На момент написания находятся в стадии готовности:
GPS (Глобальная система позиционирования, США)
GPS была первой системой ГНСС. Спутники GPS (или NAVSTAR, как его официально называют) впервые были запущены в конце 70-х годов прошлого столетия по заданию министерства обороны США. С того времени было запущено несколько групп спутников (называемых «Блоками»), состоящих из спутников одного поколения.
Первоначально GPS был доступен для использования только в военных целях, но в 1983 году было принято решение разрешить и гражданское использование системы. Спутник GPS изображен на рис. 27.
Космический сегмент
Космический сегмент GPS представлен в таблице 2. Период обращения каждого спутника составляет около12 часов, что обеспечивает приемнику GPS видимость как минимум шести спутников в поле зрения в любой точки Земли в условиях открытого неба.
Таблица 2: Созвездие спутников GPS
Орбита спутника GPS показана на рис. 28.
Спутники GPS постоянно передают свой идентификатор, измерительные сигналы, статус и скорректированные эфемериды (параметры орбиты). Спутники идентифицируются либо по номеру космического аппарата (SVN), либо по коду псевдослучайного шумового сигнала (PRN).
Сигналы GPS
Таблица 3 содержит дополнительную информацию о сигналах GPS. Сигналы GPS основаны на технологии CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), которую мы обсуждали ранее в главе 2.
Таблица 3: Параметры сигналов GPS
Сегмент управления
Сегмент управления GPS состоит из главной станции управления, резервной станции управления и станций мониторинга, наземных антенн и станций удаленного мониторинга, как показано на рис. 29.
Сегмент управления GPS
По всему миру расположены 16 станций мониторинга; шесть относятся к ВВС США и десять к NGA (Национальное агентство геопространственной разведки, также входящее в состав министерства обороны США).
Станции мониторинга отслеживают широковещательные сигналы спутников, содержащие эфемериды, измерительные сигналы, данные часов и данные альманаха. Эти сигналы передаются на главную контрольную станцию, где пересчитываются эфемериды.
Полученные эфемериды и временные поправки в бортовые часы передаются обратно на спутники через станции загрузки данных. Наземные антенны совмещены с контрольными станциями и используются главной станцией управления для связи и управления спутниками GPS.
Станции удаленного слежения сети космического управления ВВС (AFSCN) предоставляют главному диспетчерскому пункту дополнительную спутниковую информацию для улучшения телеметрии, отслеживания и контроля.
Развитие GPS
Система GPS достигла полной функциональности в 1995 году. В 2000 году был начат проект по расширению космического и наземного сегментов GPS для использования преимуществ новых технологий и требований пользователей.
Развитие космического сегмента включает использование новых видов сигналов, а также повышение точности атомных часов, мощности и надежности спутникового радиосигнала. Модернизация контрольного сегмента включает улучшенное моделирование ионосферы и тропосферы и повышение точности определения параметров орбит, а также развертывание дополнительных станций мониторинга.
Пользовательское оборудование также претерпело изменения, чтобы использовать преимущество улучшенных космического и наземного сегментов.
Модернизированные спутники GPS (Block IIR-M и более поздние версии) передают новый гражданский сигнал, обозначенный L2C, что обеспечивает доступность двух гражданских кодов. Сигнал L2C легче отслеживать, и он обеспечивает повышенную навигационную точность. Также существует возможность прямого измерения и устранения ошибки ионосферной задержки для конкретного спутника, используя гражданские сигналы на частотах L1 и L2.
США внедрили третью гражданскую частоту GPS (L5) 1176,45 МГц. Модернизированные спутники GPS (Block II-F и более поздние) передают сигналы L5. Сигнал L5 соответствует требованиям для решения критически важных задач, связанных с обеспечением безопасности человеческой жизни, для гражданской авиации, и обладает преимуществами за счет следующих возможностей:
• улучшенной ионосферной коррекции
• повышенной точности сигнала
• улучшенного подавления помех
Четвертый гражданский сигнал GPS, L1C, планируется для следующего поколения спутников GPS, Block III. L1C будет обратно совместим с сигналом L1 и обеспечит большую совместимость с системой ГНСС Galileo в области гражданского применения. Японская QZSS, индийская IRNSS и китайская BeiDou также планируют передавать L1C, что сделает его будущим стандартом для международной совместимости.
В L1C применена новая схема модуляции, которая обеспечивает улучшенный прием сигнала GPS в городах и других сложных условиях. Ожидается, что к 2026 году будут выведены на орбиту 24 спутника, транслирующих L1C.
Другие
В дополнение к новым сигналам L1C, L2C и L5, модернизация спутников GPS включает и поддержку новых сигналов для военного использования.
ГЛОНАСС
ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система, Россия)
ГЛОНАСС была разработана в Советском Союзе в качестве экспериментальной системы военной связи в 1970-х годах. Когда закончилась «холодная война», в Советском Союзе было принято решение о возможности коммерческого применения системы ГЛОНАСС для передачи погодных данных, для целей связи, навигации и разведки.
Первый спутник ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а полностью система была объявлена работоспособной в 1993 году. В дальнейшем были периоды, когда характеристики системы ГЛОНАСС ухудшались, но Россия взяла на себя обязательство довести систему до требуемого минимума в 18 активных спутников. В настоящее время полностью развернута группировка из 24 спутников ГЛОНАСС.
Спутники ГЛОНАСС развивались уже с момента запуска первого поколения. На момент написания данной книги спутник ГЛОНАСС-М последнего поколения, приведенный на рис. 30, подготовлен к запуску.
Структура системы ГЛОНАСС
Созвездие спутников ГЛОНАСС обеспечивает видимость различного их числа в зависимости от вашего местоположения. Наличие минимум четырех спутников в поле зрения позволяет приемнику ГЛОНАСС вычислять свое положение в трех измерениях и синхронизировать с системным временем.
Космический сегмент ГЛОНАСС
Космический сегмент ГЛОНАСС представлен в таблице 4.
Таблица 4: Спутниковая группировка ГЛОНАСС
Космический сегмент ГЛОНАСС состоит из 24 спутников расположенных на трех орбитальных плоскостях, по восемь спутников в каждой плоскости.
Геометрия созвездия ГЛОНАСС повторяется примерно раз в восемь дней. Период обращения каждого спутника составляет примерно 8/17 звездных суток, так что за восемь звездных суток спутники ГЛОНАСС совершают ровно 17 оборотов вокруг Земли.
Каждая орбитальная плоскость содержит восемь равноотстоящих спутников. Один из спутников будет находиться в одной и той же точке неба каждый день в одно и то же звездное время.
Спутники выводятся на условно круговые орбиты с наклонением 64,8 градуса и радиусом орбиты 19 140 км, что примерно на 1060 км меньше, чем орбиты спутников GPS.
Спутниковый сигнал ГЛОНАСС идентифицирует спутник и транслирует:
• Информацию о местоположении, скорости и ускорении для расчета положения спутников.
• Информацию о состоянии спутника.
• Смещение времени ГЛОНАСС относительно UTC (SU) [Всемирное координированное время России].
• Альманах для всех остальных спутников ГЛОНАСС.
«Земля была абсолютно круглой. Я никогда не знал, что означает слово «круглая», пока не увидел Землю из космоса». Алексей Леонов, советский космонавт, рассказывает о своем историческом выходе в открытый космос в 1985 году.
Сегмент управления
Сегмент управления ГЛОНАСС состоит из центра управления системой и сети командных пунктов слежения, размещенных на всей территории России. Сегмент управления ГЛОНАСС, аналогично управляющему сегменту GPS, контролирует состояние спутников, определяет поправки в эфемериды, а также вычисляет смещения спутниковых часов относительно времени ГЛОНАСС и UTC (всемирное координированное время). Он также дважды в день загружает поправки на борт спутников.
Сигналы ГЛОНАСС
В таблице 5 представлены сигналы ГЛОНАСС.
Таблица 5: Характеристики сигнала ГЛОНАСС
Каждый спутник ГЛОНАСС передает сигналы на разных частотах в пределах диапазонов L1 и L2. Сигнал, содержащий P-код (код HP) передается как на частоте L1, так и на частоте L2, а код C/A (код SP) транслируется всеми спутниками на частоте L1 и большинством спутников на частоте L2.
Спутники ГЛОНАСС передают один и тот же код на разных частотах, используется метод, известный как FDMA, для обеспечения множественного доступа с частотным разделением каналов. Обратите внимание, что этот метод отличается от того, который используется в GPS.
Сигналы ГЛОНАСС имеют ту же поляризацию (ориентацию электромагнитных волн), что и сигналы GPS, и имеют сопоставимую мощность сигнала.
Система ГЛОНАСС основана на 24 спутниках, использующих 12 частот. Противостоящие относительно земли спутники могут совместно использовать общие частоты. Спутники-антиподы находятся в одной орбитальной плоскости, но разнесены на 180 градусов. Спаренные спутники могут передавать на одной и той же частоте, потому что они никогда не появятся одновременно в поле зрения приемника на поверхности Земли, как показано на рис. 32.
Развитие ГЛОНАСС
По истечению срока службы нынешних спутников ГЛОНАСС-М, они будут заменены спутниками ГЛОНАСС-К следующего поколения. Новые спутники обеспечат систему ГЛОНАСС возможностью передачи новых сигналов ГНСС.
Первый блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-К1) будет транслировать новый гражданский сигнал, обозначенный L3, с центральной частотой 1202,025 МГц. В отличие от существующих сигналов ГЛОНАСС, L3 основан на CDMA, что облегчит взаимодействие с системами GPS и Galileo. Первый спутник ГЛОНАСС-К1 был запущен в феврале 2011 года.
L1 и L2 CDMA
Второй блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-К2) добавляет еще два сигнала стандарта CDMA, транслируемых на частотах L1 и L2. Устаревшие сигналы FDMA также будут транслироваться на частотах L1 и L2 для поддержки уже используемых приемников.
Третий блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-КМ) добавит поддержку сигнала L5 в систему ГЛОНАСС.
BeiDou
Навигационная спутниковая система BeiDou (Китай)
Первоначальный этап системы BeiDou официально начал функционировать в декабре 2012 года, обеспечивая покрытие Азиатско-Тихоокеанского региона.
Региональный космический сегмент BeiDou включает пять спутников, расположенных на геостационарной околоземной орбите (GEO), пять спутников лежащих на наклонной геостационарной орбите (IGSO) и четыре спутника находящихся на средней околоземной орбите (MEO) (см. Таблицу 6).
Таблица 6: Региональная группировка BeiDou
Второй этап системы BeiDou планируется завершить к концу 2020 года, и он обеспечит глобальный охват с расширенным региональным охватом. Космический сегмент будет состоять из созвездия, с входящими в него 5 спутниками на геостационарной орбите (GEO), 3 спутниками на наклонной орбите (IGSO) и 27 спутников на средней околоземной орбите (MEO), как показано в Таблице 7.
Таблица 7: Глобальная группировка BeiDou
Сигналы BeiDou
Сигналы BeiDou, основанные на технологии CDMA, приведены в Таблице 8.
Определены три уровня обслуживания:
• Открытый доступ для гражданского использования и бесплатный для пользователей системы. Этот сервис обеспечивает точность определения местоположения до 10 метров, для скорости точность в пределах 0,2 метра в секунду и точность синхронизации времени до 10 наносекунд.
• Лицензионный доступ только для пользователей, оформивших подписку. Лицензированный сервис повышает точность позиционирования до 2 метров. Сервис также обеспечивает двухсторонний обмен короткими сообщениями (120 китайских символов) и предоставляет информацию о состоянии системы.
• Закрытый доступ для военного применения. Сервис более точный, чем открытый, также предоставляет информацию о состоянии системы и обеспечивает возможность военной связи.
Таблица 8: Характеристики сигналов BeiDou
Galileo
«Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». Галилео Галилей, итальянский физик, математик, астроном и философ.
В мае 1999 года альпинистская экспедиция доставила GPS-приемник на вершину Эвереста, что позволило точно измерить ее высоту, которая составила 8850 м (29 035 футов). Мы думаем, что Галилей был бы счастлив.
Глобальная навигационная спутниковая система Galileo, разрабатываемая в Европе, будет высокоточной и гарантированной службой глобального позиционирования под гражданским контролем. Соединенные Штаты и Европейский Союз сотрудничают с 2004 года, для обеспечения совместимости и взаимодействие GPS и Galileo на пользовательском уровне.
Предлагая в качестве стандарта двухчастотный режим, Galileo обеспечивает точность позиционирования в реальном времени до метрового диапазона, что было ранее недостижимо для общедоступных систем.
Система Galileo гарантирует доступность при любых обстоятельствах, кроме самых экстремальных, и в считанные секунды проинформирует пользователей о выходе из строя любого спутника. Это делает ее пригодной для применений в областях, где безопасность имеет решающее значение, например, в воздушном и наземном транспорте.
Первый экспериментальный спутник Galileo, входящий в состав испытательного стенда системы Galileo (GSTB), был запущен в декабре 2005 года. Задача этого экспериментального запуска состояла в том, чтобы обозначить критически важные технологии Galileo, которые уже находились в разработке по контрактам Европейского Космического Агентства (ESA). Были запущены четыре действующих спутника, два в октябре 2011 года и два в октябре 2012 года, для проверки базового космического и наземного сегментов Galileo. В ближайшие годы будут запущены оставшиеся спутники, которые, вероятно, сделают систему полностью функциональной после 2020 года.
Структура Galileo
Космический сегмент Galileo кратко представлен в Таблице 9. Когда группировка будет развернута, навигационные сигналы Galileo обеспечат покрытие на всех широтах. Большое количество спутников вместе с оптимизацией группировки и доступностью трех рабочих резервных спутников гарантирует, что потеря одного спутника не окажет заметного воздействия на пользовательский сегмент.
Два центра управления Galileo (GCC), расположенные в Европе, полностью контролируют спутники Galileo. Данные, обработанные глобальной сетью из тридцати сенсорных станций Galileo (GSS), будут отправлены в центры через резервную сеть связи. Центры управления будут использовать данные от этих станций для получения информации о целостности системы и синхронизации спутникового времени с часами наземных станций. Центры управления будут связываться со спутниками через станции космической связи, которые будут установлены по всему миру.
ГНСС Galileo обеспечит глобальную функцию поиска и спасения (SAR) на основе оперативной спутниковой системы поиска и спасения “Cospas-Sarsat 2”. Для этого каждый спутник системы Galileo будет оснащен транспондером, имеющим возможность передавать сигналы бедствия в Координационный центр спасения (RCC) для развертывания операции по спасению.
В то же время система подаст сигнал пользователю, информируя его о том, что внештатная ситуация была обнаружена и что помощь уже осуществляется. Эта последняя функция является новой и считается важным обновлением по сравнению с существующими системами, которые не обеспечивают обратной связи с пользователем.
Таблица 9: Спутниковая группировка Galileo
Сигналы Galileo
В таблице 10 представлена дополнительная информация о сигналах Galileo.
Таблица 10: Характеристики сигналов Galileo
Сервисы ГНСС Galileo
ГНСС Galileo предоставляет пять сервисов, приведенных в таблице 11.
Таблица 11: Сервисы, предоставляемые Galileo
Другие спутниковые навигационные системы
IRNSS (Индийская региональная навигационная спутниковая система, Индия)
Индия находится в процессе запуска своей собственной региональной навигационной спутниковой системы для покрытия территории Индии и прилегающих регионов. Система IRNSS будет состоять из семи спутников, три из них на геостационарных орбитах и четыре на наклонных геостационарных орбитах. Система обеспечит точность определения местоположения до 10 метров на всей территории Индии и до 20 метров для территорий, отстоящих от нее до 1500 км.
IRNSS предоставит две сервисных службы. Стандартное определение местоположения (SPS), доступное для всех пользователей, и ограниченное (RS), доступное только авторизованным пользователям.
В таблице 12 приведены сигналы IRNSS. Первый спутник IRNSS был запущен в июле 2013 года, второй в апреле 2014 года. Полная группировка из семи спутников развернута в 2015 году.
Таблица 12: Характеристики сигнала IRNSS
QZSS (Квазизенитная Спутниковая Система, Япония)
Спутниковая система QZSS обеспечивает ограниченную точность в автономном режиме, поэтому она рассматривается как дополнение к GPS. Спутники QZSS используют те же частоты, что и GPS, и имеют часы, синхронизированные со временем GPS. Это позволяет использовать спутники QZSS, как если бы они были дополнительными спутниками GPS. Спутники QZSS также передают сигнал, совместимый с SBAS, и сигнал высокой точности на частоте E6.
Три спутника QZSS размещены на периодической квазизенитной орбите (QSO). Эти орбиты позволят спутникам «пребывать» над территорией Японии более 12 часов в сутки на высоте более 70° (то есть большую часть времени они находятся практически в зените).
Общая сводка сигналов ГНСС
Чем больше становится доступным созвездий и сигналов ГНСС, тем сложнее становится спектр ГНСС. На рис. 36 показаны сигналы для четырех глобальных систем ГНСС (состояние на 2015 год, прим.).
Заключительные замечания
Теперь, когда вы знаете больше о Глобальных Навигационных Спутниковых Системах, мы обсудим передовые концепции ГНСС в следующих главах.
«Лишь настойчивостью улитка достигла ковчега». Чарльз Хэддон Сперджен, английский проповедник.