Навигационные спутниковые системы

Навигационные спутниковые системы предназначены для определения текущих географических координат (широты, долготы, высоты) и вектора путевой скорости воздушных, морских, наземных и космических объектов. Наиболее популярной является американская глобальная система местоопределения GPS (Global Positioning System). Она состоит из искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей.

Для покрытия поверхности земного шара в системе используется 24 спутника, которые распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км и делают два оборота вокруг Земли менее чем за сутки. Такая конфигурация системы позволяет практически в любой точке Земли принимать сигнал сразу от нескольких спутников. Упрощенная схема функционирования системы GPS показана на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схема функционирования системы GPS.

Вычисление координат объекта производится на основе результатов измерения его удаленности от точек с заданными координатами. На рисунке объектом является GPS-приемник, а точками с заданными координатами — спутники системы. GPS-приемник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии.

Для определения двух координат (широты и долготы) достаточно получить сигналы с трех спутников, а для определения высоты над уровнем моря — с четырех. Чем больше спутников, тем точнее измерение. Спутники размещены на орбитах таким образом, чтобы в любой точке земной поверхности приемник «видел» не менее четырех из них. Стандартные гражданские GPS-приемники могут принимать сигналы от двенадцати спутников одновременно. Точность GPS-измерений различается от одного сантиметра до десятков метров в зависимости от используемой аппаратуры, методики обработки данных и других факторов.

Российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС используется Международной организацией гражданской авиации и Морской международной организацией с 1996 года. Для обеспечения непрерывного навигационного поля над всей территорией России система ГЛОНАСС должна иметь 18 спутников, а для глобального масштаба — 24. В настоящее время для восполнения орбитальной группировки производятся спутники второго поколения «Глонасс-М» и ведется активная разработка спутника следующего поколения «Глонасс-К». Принцип измерения аналогичен американской системе GPS.

Сфера применения глобальных навигационных спутниковых систем огромна. GPS/ГЛОНАСС-приемники давно уже стали обязательным оборудованием для решения широкого спектра навигационных задач. Приемники выпускаются в виде моноблоков и приставок к ноутбукам и КПК. Моноблоки имеют собственный процессор для необходимых расчетов, а также дисплей для отображения информации.

Впервые потребительские спутниковые навигаторы, рассчитанные на совместное использование ГЛОНАСС и GPS, поступили в продажу в 2007 году — это были спутниковые навигаторы Glospace. Первый российский навигатор Glospace SGK-70 с приемниками ГЛОНАСС и GPS, работающими одновременно, позволяет также просматривать фильмы и прослушивать цифровые записи, смотреть фотографии, подключать внешние устройства и карты памяти, играть во встроенные игры и т. п.

В настоящее время каталог навигаторов (приемников) достаточно обширен: коммуникатор+GPS, стационарные и портативные для автомобилей, авиационные, морские, ручные портативные, рыбопоисковые эхолоты, КПК+ GPS, спортивные, системы слежения, приставки Bluetooth для коммуникаторов, КПК и ноутбуков, навигаторы для животных и другие.

Наряду с определением широты, долготы и высоты навигатор способен сообщать:

• • точное время;
• • ориентацию по сторонам света или только направление скорости при движении;
• • высоту над уровнем моря;
• • направление на точку с координатами, заданными пользователем;
• • текущую скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость;
• • данные с информацией о состоянии дороги — пробки, дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащенных ТМС-приемником и при наличии службы «Канал автодорожных сообщений»);
• • текущее положение на электронной карте местности (модели, оснащенные картами);
• • текущее положение относительно трека и другие.

Ручные портативные навигаторы по размеру и стоимости близки к мобильным телефонам. Автомобильная навигационная система более сложна — она состоит из GPS-приемника с выносной антенной, бортового компьютера и дисплея. Мощный процессор позволяет реализовать не только навигационные функции, но и любые сервисные.

Навигатор точно определяет местонахождение автомобиля на карте города, может проложить оптимальный маршрут до заданной точки, указывает пользователю улицы, мимо которых он проезжает, и т. д. База данных компьютера служит не только для решения навигационных задач, в ней есть также много полезной информации, необходимой любому автовладельцу: телефонная и адресная книга, экстренные службы, больницы, магазины, бензоколонки, станции техобслуживания и т. п.

Спутниковая навигация работает не только на индивидуальных пользователей. На основе использования GPS разработаны системы слежения за движением транспортных средств. В автомобиле устанавливается комплект бортовой аппаратуры, который по сигналам со спутника определяет координаты автомобиля и по каналам связи направляет на диспетчерский пульт. Полученная информация позволяет определить местоположение конкретного автомобиля на карте, получить дополнительную информацию с установленных на нем датчиков. Пользователь может за сотни километров послать сигнал, управляющий установленными на машине механизмами — например, заглушить двигатель, закрыть замки дверей или включить сирену.

Перспективы развития и применения глобальных спутниковых навигационных систем достаточно велики и в ближайшем будущем их оборудование станет стандартным на суше, воде и в космосе.