3.1. Спутниковые системы навигации
Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов [8].
На сегодняшний день в мире существует три спутниковые навигационные системы. Помимо ГЛОНАСС широко используются американская GPS и европейская Galileo.
3.1.1. ГЛОНАСС
Глобальную Навигационную Спутниковую Систему, основу которой составляют 24 спутника, называют ГЛОНАСС. Это российская система, предоставляющая возможность определять местонахождение, траекторию, время и дату, а также скорость передвижения всевозможных объектов, находящихся в воздухе, на водных просторах или суше. Система ГЛОНАСС используется благодаря специальным приборам-навигаторам, включая различные портативные устройства.
Кроме того, оснащение городского и пригородного общественного пассажирского транспорта и грузовых автомобилей, перевозящих опасные грузы, спутниковой навигационной системой ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS стало обязательным в РФ с 1 января 2013 года.
Функционирование отечественной системы началось ещё в первой половине девяностых годов. Для её нормальной работы необходимо минимум 24 спутника, которые находятся на орбите нашей планеты, на высоте 19100 км. Их период обращения составляет 11 часов 15 минут и происходит в трёх плоскостях. ГЛОНАСС – система, включающая три подсистемы: подсистема контроля и управления (ПКУ), космических аппаратов (ПКА) и навигационная аппаратура потребителей (НАП).
ПКУ составляет Центр управления ГЛОНАСС и сеть станций управления, измерения и контроля, которые рассредоточены по всей России. Основной задачей данной подсистемы является беспрерывное уточнение параметров орбит, а также выдача на спутники команд управления, временных программ и имеющейся навигационной информации.
Определение координат объекта на поверхности Земли осуществляется за счёт получения абонентским приёмником данных от одного или нескольких спутников, входящих в спутниковую группировку, и последующего вычисления приёмником координат на основе полученных данных. Сигналы со спутников передаются в непрерывном режиме, без запроса, следовательно, их приём доступен любому пользователю, имеющему приёмник. Передаются два набора сигналов – так называемые, «гражданский» сигнал, а также «военный», закрытый специальным кодом. В особых ситуациях передача гражданского сигнала может быть остановлена [8].
Важно отметить, что не все из находящихся на орбите спутников группировки находятся в рабочем состоянии, а также то, что по мере исчерпания ресурса работоспособные сегодня спутники будут прекращать работу.
Спутниковые системы навигации ГЛОНАСС не синхронизированы с вращением планеты, соответственно, они более стабильны, нежели GPS. Поэтому российская система навигации позволяет не проводить дополнительные корректировки во время всего срока эксплуатации. Вместе с тем срок их службы существенно короче. Стоит заметить, что на сегодняшний день навигация ГЛОНАСС немного уступает подобным показателям GPS. Использование обеих навигационных систем позволяет значительно уменьшить погрешность их работы. Поэтому, несмотря на то, что для использования только системы ГЛОНАСС модули стоят дешевле, пользователи, которые хотят получать исчерпывающую информацию, приобретают приёмники, рассчитанные на работу обеих систем.
Спутниковая навигация ГЛОНАСС используется сегодня в таких сферах жизни, как наука, транспорт, всевозможные услуги населению, а также в целях безопасности. Используемое для ГЛОНАСС оборудование бывает автомобильным, морским, переносным и т.д. Передача данных может производиться быстро с помощью USB-провода, Bluetooth, разъёмов CF либо медленно – при использовании COM-портов. Помимо этого среди новых смартфонов также имеется возможность поддерживать такую функцию, как ГЛОНАСС-навигация.
Многие пользователи предпочитают использовать GPS ГЛОНАСС-трекер, позволяющий осуществлять контроль над всеми передвижениями наблюдаемых объектов фактически в реальном времени. Эта популярность обусловлена тем, что при таком использовании ГЛОНАСС стоимость услуги оказывается довольно низкой за счёт приемлемой цены GPRS-трафика.
Правительством РФ был издан приказ, согласно которому транспорту, производящему перевозку опасных грузов, а также пассажирскому транспорту требуется обязательная установка ГЛОНАСС. Это позволит повысить безопасность на дорогах и ускорить работу различных спасательных служб, что спасёт огромное количество человеческих жизней.
Система GPS/ГЛОНАСС-мониторинга не только обязательна для многих видов транспорта, но и очень удобна для владельцев транспортных компаний. Ведь с её помощью можно значительно снизить затраты, которые необходимы для планирования работы и нормального функционирования компании. Ведь навигационная система ГЛОНАСС позволяет производить контроль над местоположением транспортного средства, его средней скоростью, расходом топлива и техническим состоянием, что очень важно, например, при планировании доставки грузов. Использование ГЛОНАСС, цена которого относительно невелика, позволит компании повысить конкурентоспособность и быстро окупить затраты на установку навигаторов на каждый рабочий автомобиль.
Сегодня стоимость оборудования зависит от того, модель какой компании выберет покупатель, а также от её функциональности и возможностей. Естественно, что навигаторы, поддерживающие ГЛОНАСС и GPS и стоящие немного дороже, намного более точные, поэтому их использование предпочтительнее.
Можно с уверенностью сказать, что использование ГЛОНАСС позволило значительно сократить количество аварий с участием, например, детских автобусов и другого общественного транспорта, на который устанавливают навигаторы. Объясняется это в первую очередь тем, что водители таких автомобилей всегда находятся под контролем и, соответственно, стараются более тщательно соблюдать правила дорожного движения, чтобы не подвергаться штрафам. Поэтому ГЛОНАСС-мониторинг, цена которого не столь высока, позволяет не просто контролировать качество работы водителей, но и спасает человеческие жизни, что намного более важно.
3.1.2. GPS NAVSTAR
Большая часть используемых в мире систем слежения для определения местоположения движущихся объектов используют датчики спутниковой навигационной системы GPS NAVSTAR.
Глобальная навигационная система GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging – Навигационная система определения времени и дальности), предназначена для передачи навигационных сигналов, которые одновременно могут приниматься во всех странах мира. Данная система разрабатывалась по заказу Министерства обороны США, для вывода в космос использовались космические аппараты (КА), изготовленные компанией Rockwell International [3].
В настоящее время GPS NAVSTAR является самой современной системой радионавигации, которая обеспечивает высокоточное определение координат, скоростей и времени круглосуточно в любом месте планеты. Система GPS NAVSTAR состоит из 24 спутников, которые движутся по заданным орбитам и посылают на землю специализированные радиосигналы. Вначале данная навигационная система создавалась исключительно для применения в военной сфере США и их партнёров.
С июня 1989 г. по март 1994 г. разворачивалась первая штатная орбитальная группировка данной системы, при этом на околоземную орбиту были выведены 24 космических аппарата Block II. В окончательную эксплуатацию GPS был введён в 1995 г. Министерство обороны США осуществляет эксплуатацию и обслуживание данной системы. Во всём мире GPS широко применяется для решения как военных, так и гражданских навигационных задач.
На сегодняшний день система GPS позволяет определять местоположение с точностью 30–100 м, а при так называемом методе дифференциальной коррекции погрешности (измерение координат относительно заведомо известной точки) 2–5 м.
Процесс определения местоположения происходит специализированными наземными навигационными приёмниками. Для того чтобы определить собственные координаты в пространстве GPS-приёмнику необходимо получать сигналы от трёх спутников минимум. Орбита спутника выбрана (рассчитана) так, чтобы в любой точке Земли, в любой момент времени одновременно были видны 5–8 навигационных спутников. Во время приёма сигнала GPS-приёмник выбирает три спутника с наивысшим уровнем радиосигнала.
При помощи стандартного навигационного приёмника, который встроен в терминал пользователя, определяются координаты подвижного абонента. Данная система самостоятельно определяет географические координаты и мировое время (UTC) по навигационным сигналам, используя собственную небольшую антенну. К примеру, в системе Inmarsat-C навигационная антенна совмещена дополнительно со связной антенной абонентского терминала.
Современное GPS-устройство чаще всего оснащается 6–8 приёмниками, позволяющими отслеживать почти все навигационные спутники, которые находятся в зоне радиовидимости объектов. В случае, если количество каналов меньше, чем у «наблюдаемых» спутников, то в автоматическом режиме выбираются наиболее оптимальные сочетания космических аппаратов. Скорость обновления навигационных сведений приблизительно 1 с, а время обнаружения будет зависеть от режимов определения местоположения и числа одновременно наблюдаемых спутников.
3.1.3. Спутниковая навигационная система Galileo
Galileo является совместным проектом спутниковой навигационной системы Европейского космического агентства и Европейского союза. Помимо стран Европейского союза в этом проекте участвуют: Россия, Китай, Израиль, Южная Корея и Украина. Представителями Индии, Бразилии, Австралии, Аргентины, Чили и Малайзии рассматриваются предложения о присоединении к данному проекту. Ожидается, что Galileo начнёт функционировать полностью к 2015-2016 годам, когда будут выведены на орбиту все 30 из запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных).
В системе Galileo будет использоваться открытая архитектура, что гарантирует совместимость с существующими системами ГЛОНАСС и GPS, находящейся в разработке системой EGNOS, системами поиска и спасения. Предполагаемый функционал её навигационных свойств намного больше, чем у ГЛОНАСС и GPS. Galileo включает три основные подсистемы: космический сегмент, наземная инфраструктура (комплекс управления) и навигационная аппаратура потребителей.
На орбитальной группировке из тридцати средневысотных спутников базируется космический сегмент, при котором обеспечивается глобальное покрытие всей территории планеты. Орбитальная группировка Галилео оптимизирована для обслуживания территорий, находящихся в высоких широтах. В состав бортовой аппаратуры космического аппарата войдёт также ретранслятор сигналов радиомаяков, которые используются для проведения поисково-спасательных работ.
Наземная инфраструктура Galileo охватывает станции управления орбитальной группировкой и телеметрического контроля, которые объединены в единую сеть глобального мониторинга. Сведения в данной сети будут обрабатываться с очень большим быстродействием, что позволит выявлять отказы в работе бортового оборудования космического аппарата за время, не превышающее 6 с. Предполагается также намного снизить время оперативного оповещения пользователей об отказах работы навигационных спутников.
Проектирование системы ведётся с учётом её использования с другими системами навигации и связи. Данный аспект представляется особо важным в случаях, когда приём сигнала неустойчивый и требуется передача дополнительных сведений. В этом направлении планируется использование Galileo с такими наземными системами навигации, как EUROFIX и Loran-C, различными системами космической связи, которые имеют собственные подсистемы ОМП (Globalstar, Orbcomm и др.), а также системами беспроводной связи (GSM и UMTS), где предусматривается хранение сведений о местоположении абонента.
Работа системы Galileo будет базироваться на четырёх ключевых службах. Базовая, общедоступная служба (Оpen Service, ОС) обеспечивает позиционирование подвижных объектов (в том числе с помощью мобильных телефонов определяет их координаты), самолетную и морскую навигацию, передачу сигналов точного времени (UTC). Данные услуги предоставляются совершенно бесплатно.
В компетенции службы спасения (Safety-of-Life Service, SLS) входит обеспечение гарантий безопасности, связанных с угрозами жизни людей. Данная система обеспечивает требования для служб навигации ICAO и других международных учреждений (примером такой системы будет являться система, которая предотвращает столкновение поездов или гарантирует безопасную постановку судов в док). С первой попытки расчётная вероятность определения координат в SLS не должна быть меньше 0,999.
В функции службы общественного регулирования (Public Regulated Service, PRS) входит предоставление навигационных сведений государственным структурам, гражданской обороне, полиции, службам обеспечения правопорядка, экстренной помощи и др. Основными требованиями являются защита от внешнего воздействия и недопустимость пиратского использования сигналов навигации пользователями, не прошедшими регистрацию.
Задачами коммерческой службы (Commercial Service, CS) будет предоставление платных услуг зарегистрированным пользователям. В список этих услуг, кроме бесплатных (OS), планируется ввести передачу дополнительной зашифрованной информации, к примеру, используемой для управления движением.