ПАРАД СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Введение
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 функционируют.
Европейский Союз запланировал создать еще одну глобальную навигационную систему (GNSS) Galileo с бюджетом 3.8 миллиарда долларов еще в 1999. Ожидается, что Galileo начнет предоставлять услуги к концу 2008.
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 мдрд USD убытков.
Прибыль спутниковой индустрия, которая работает на навигацию, достигает на данный момент 40 миллиардов долларов в год. Прибыль, которую принесут спутниковые системы навигациив 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, что видно из Таблицы 1
|
Тип спутника
|
GPS-II
|
GPS-IIA
|
GPS-IIR
|
GPS-IIRM
|
GPS-IIF
|
|
Масса, кг
|
885
|
1500
|
2000
|
2000
|
2170
|
|
Срок жизни
|
7.5
|
7.5
|
10
|
10
|
15
|
|
Бортовое время
|
Cs
|
Cs
|
Rb
|
Rb
|
Rb &Cs
|
|
Межспутниковая связь
|
Нет
|
Да
|
Да
|
Да
|
Да
|
|
Автономная работа, дней
|
14
|
180
|
180
|
180
|
Более 60
|
|
Антирадиационная защита
|
Нет
|
Нет
|
Да
|
Да
|
Да
|
|
Антенна
|
-
|
-
|
Улучшенная
|
Улучшенная
|
Улучшенная
|
|
Возможность настройки на орбите
|
Слабая
|
Слабая
|
Средняя
|
Сильная
|
Повышенная
|
|
Орбитальная точность
|
|
|
|
|
|
|
Навигационный сигнал
|
L1:C/A+P
L2:P
|
L1:C/A+P
L2:P
|
L1:C/A+P
L2:P
|
L1:C/A+P+M
L2:C/A+P+M
|
L1:C/A+P+M
L2:C/A+P+M
L5:C
|
|
Мощность бортового передатчика
|
Слабая
|
Слабая
|
Средняя
|
Сильная
|
Повышенная
|
В настоящее время сформулированы требования к GPS-III – навигационной системе третьего поколения. Два крупнейших мировых производителей спутников Locheed Martin и Boeing должны предложить свои варианты построения GPS-III.
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, система 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.
В настоящее время исследуются достоинства и недостатки двух вариантов построения орбитальной группировки: 6 плоскостей по 4 спутника на каждой и 3 орбитальные плоскости по 7 спутников. Ожидается, что GPS-III прослужит до 2030 г.
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, а по последним данным в 2009 г. В то же самое время Россия и Индия договорились далее разрабатывать систему GLONASS вместе. В настоящее время ГЛОНАСС имеет только 15 спутников на орбите.
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 будут передавать объединенный информационный пакет, который предоставить возможность оказания дополнительных услуг по спасению, поиску и связи в чрезвычайных ситуациях. Всего планируется заказать 27 спутников GLONASS-K. Некоторые сравнительные характеристики спутников ГЛОНАСС представлены в Таблице 2
Таблица 2
|
Тип спутника
|
GLONASS
|
GLONASS-M
|
GLONASS-K
|
|
Первый запуск
|
1982
|
2003
|
2007
|
|
Дата вывода из эксплуатации
|
2006
|
2013
|
2022
|
|
Число сигналов для гражданского использования
|
1
|
2
|
3
|
|
Масса, кг
|
1415
|
1415
|
750
|
|
Мощность батарей, Вт
|
1000
|
1600
|
1270
|
|
Срок активного существования, лет
|
3-4.5
|
7.5
|
10-12
|
|
Точность местоопределения с вероятностью 95%
|
60 м
|
30 м
|
5-8 м
|
В настоящее время ведутся переговоры с правительствами различных государств по присоединению к ГЛОНАСС. К ГЛОНАСС могут присоединиться, например, Индия , Казахстан и Саудовская Аравия. Известнго, что Минобороны РФ сняло 1 января 2007 г все ограничения на получение и использование геопространственной информации от глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.
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. Ожидается, что планирование бюджета завершится полностью в 2007 г.
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, Морокко 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 2.7 х 1.1 х 1.2 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, построенный компанией Surrey Satellite Technology, 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
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. Еще 2 спутника запланированы к запуску в начале 2007 г. Как ожидается, Навигационная Спутниковая Система Compass будет предоставлять услуги на территории Китая и соседних государств с 2008 г.
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. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. 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 (L1 – 1575.42 МГц; L2 – 1227.60 МГц; L5 – 1176.45 МГц).
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.
По материалам APSCC, 2007, January
| 
