Глобальная навигационная спутниковая система

Спутниковая навигация широко используется людьми в повседневной жизни, навигатором сегодня может выступать любой смартфон. Большинство пользователей удовлетворены точностью современных систем. Все глобальные спутниковые навигационные системы построены по одному и тому же принципу. Они состоят из наземного и космического оборудования, которое определяет координаты, направление и скорость объекта с течением времени.

Как работает любая глобальная навигационная спутниковая система

Спутник имеет атомные часы, синхронизированные с системным временем, и передает информацию о точном времени, а также свои точные координаты на орбите. Антенна конечного устройства принимает сигнал с доступных орбитальных спутников (достаточно как минимум трех). Затем рассчитывается время прохождения сигнала. На основе полученных данных с высокой точностью рассчитываются координаты, направление и скорость объекта. Сегодня в некоторых навигационных системах точность достигает 10 сантиметров.

Наземные станции (WAAS, EGNOS и другие) отслеживают траектории спутников и передают эти корректировки в центральную базу данных. На пользовательских устройствах эти данные обновляются через мобильную сеть, Wi-Fi или Bluetooth, что значительно ускоряет запуск навигационных систем при минимальном количестве доступных спутников. На сайте https://wirelesstechnology.com.ru рассматриваются темы, связанные с беспроводными технологиями и устройствами. Некоторые навигационные устройства могут работать с несколькими спутниковыми системами, обеспечивая лучшую скорость и точность навигации.

Три сегмента спутниковой навигации

Спутниковая навигация состоит из трех сегментов: орбитального, контрольного и пользовательского. Орбитальный космический сегмент состоит из спутников, движущихся по заданным орбитам вокруг Земли. Управление осуществляется с контрольных станций, оснащенных сетью наземных антенн и станций мониторинга. Сегмент пользователей представлен конечными устройствами спутниковой навигации.

Сферы применения навигационных систем

Помимо определения координат объектов и характеристик их движения, данные спутниковых навигационных систем используются в таких областях, как:

• определение точных координат в геодезии,
• морская, авиационная и автомобильная логистика,
• отслеживание грузов,
• активные игры и спорт,
• геотеггинг фотографий, видео, сообщений и другого контента,
• поиск людей спасателями,
• научные исследования, например, отслеживание движения тектонических плит,
• охранные системы, сигнализации и многое другое.

Дифференциальная коррекция

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) предназначена для определения координат, скорости и направления движения объектов, находящихся на поверхности планеты или в воздухе, на основе задержки между временем излучения самим спутником сигнала и временем его приема. Рабочая частота спутниковой навигации находится в дециметровом диапазоне, поэтому качество сигнала со спутников снижается в условиях сильной облачности, под ветвями и листвой деревьев, в условиях плотной многоэтажной городской застройки.

Более высокая точность достигается за счет дифференциальной коррекции: положение объекта вычисляется в двух точках с небольшим временным интервалом. Real Time Kinematic позволяет спутниковой навигации достигать высокой точности даже без альманахных поправок от базовых станций. RTK наиболее эффективен в условиях дождя, зарослей деревьев, высотных зданий, электромагнитных помех, когда спутниковый сигнал искажен.

При использовании дифференциального GPS набор данных имеет гораздо меньшую погрешность, так как факторы, мешающие измерению, взаимно вычитаются. Некоторые системы, такие как WAAS (GPS), EGNOS (Galileo), MSAS (QZSS), отправляют дифференциальную поправку к координатам, что позволяет значительно повысить точность. Системы дополнений космического базирования повышают точность и скорость работы навигационной системы.

A-GPS, LBS и другие стандарты

Холодный старт приемника может занять 10 минут, но когда у приемника есть A-GPS, LBS и другая информация, он может определить местоположение за минуту.

Индикатор TTFF фиксирует время определения координат. Применяются различные методы сокращения TTFF, в том числе загрузка альманаха по сотовым или беспроводным сетям с использованием метода A-GPS. Альманах положений спутников загружается в каждый приемник перед началом работы и постоянно обновляется. Спутники в своих сигналах и наземные станции по сотовой связи, Wi-Fi или Bluetooth передают весь альманах. На основе обновленного альманаха вычисляется точное местоположение объекта.

Технология сервиса на основе местоположения позволяет определять положение объекта на карте базовых станций операторов сотовой связи LBS-системы. LBS предоставляет приблизительное местоположение объекта, и не способен предоставить точные координаты, высоту над уровнем моря, скорость движения.

Стандартное оборудование осуществляет связь по текстовому протоколу NMEA-0183, но бинарный протокол на основе стандарта SAE J1939 обеспечивает доступ к дополнительному функционалу. Протокол NMEA-0183 имеет оптимизированный стандарт NMEA-2000, использующий шину CAN на физическом уровне, что более безопасно, чем RS-232.

Первая гражданская система GPS-навигации из США

Министерство обороны США разработало проект NAVSTAR (навигационное спутниковое время и дальность) в 1970-х годах. Когда несколько лет спустя система была открыта для гражданских лиц под названием GPS (глобальная система позиционирования), точность была снижена до 100 метров.

Точное позиционирование GPS обеспечивается 32 спутниками, вращающимися вокруг Земли в разных плоскостях
на высоте 20 000 километров. В любой заданной точке всегда доступны минимум четыре спутника, обычно до 12. Каждые 30 секунд каждый спутник GPS передает сигнал на частоте 1575,42 МГц, который кодирует время и его положение на орбите. Технология Dual GPS с приемниками на двух частотах значительно повышает точность.

Galileo из Евросоюза

Европейская навигационная система Galileo состоит из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли на высоте 23 000 километров, и обеспечивает точность до 1 метра. Galileo может обеспечивать обратную связь, информируя тех, кто передал сигнал тревоги, о том, что спасатели уже отправлены по их координатам.

ГЛОНАСС из России

ГЛОНАСС основана на 24 спутниках, вращающихся вокруг Земли на высоте 20 000 километров. Точность определения координат составляет от 1 до 6 метров.

Beidou из Китая

Китайская космическая навигационная система Beidou состоит из 48 спутников, размещенных на трех орбитах, и обеспечивает точность чуть менее 10 метров.

***

Ряд небольших навигационных систем уже полностью работоспособны, например: французская DORIS, индийская IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), японская QZSS (Quazi-Zenith Satellite System).

***

Обмен ресурсами и данными, современные навигационные системы гарантируют точное определение местоположения, даже в океанах, пустынях и крупных городах, где сигнал преломляется в плотной многоэтажной застройке. На сайте https://wirelesstechnology.com.ru освещаются темы, связанные с беспроводными технологиями, такими как космическая и сотовая связь, Wi-Fi и Bluetooth, а также совместимые с ними устройства. Вероятно, в будущем развитие Спутниковый интернет позволит быстрее и точнее определять местоположение, а также обогатит спутниковую навигацию дополнительным функционалом.