ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. История развития радионавигации 12
1.1. Развитие радионавигации в США 16
1.2. Развитие радионавигации в СССР и России 32
Глава 2. Общие принципы функционирования СНС 39
2.1. Обобщенная структура спутниковой навигационной системы 39
2.1.1. Космический сегмент 40
2.1.2. Сегмент управления 42
2.1.3. Сегмент потребителей 43
2.1.4. Определение текущих координат НКА 43
2.2. Общепринятые единицы мер времени 44
2.3. Системы отсчета времени, применяемые в СНС 47
2.4. Шкалы времени СНС и их синхронизация 49
2.5. Системы координат, применяемые в СНС 51
2.6. Движение спутника в инерциальной системе координат 54
2.6.1. Невозмущенное (кеплерово) орбитальное движение 54
2.6.2. Орбитальное движение с учетом возмущающих
факторов 62
2.7. Навигационные характеристики спутников 66
2.8. Навигационная задача и методы ее решения 69
2.8.1. Дальномерный метод 69
2.8.2. Псевдодальномерный метод 71
2.8.3. Разностно-дальномерный метод 72
2.8.4. Прочие методы решения навигационной задачи 73
2.8.5. Определение пространственной ориентации объекта 74
2.9. Радиосигналы и навигационные сообщения в СНС 75
2.9.1. Шумоподобные сигналы 79
2.9.2. Фазоманипулированные сигналы 80
2.9.3. М-последовательности 83
2.9.4. Навигационные сообщения 86
2.9.5. Модуляция сигнала навигационным сообщением 88
2.9.6. Синхронизация приемной части СНС 90
2.10. Алгоритмы первичной обработки сигналов
и извлечения информации 91
2.11. Алгоритмы вторичной обработки 98
2.12. Факторы, влияющие на точность определения вектора
потребителя 101
2.13. Дифференциальная подсистема 107
Глава 3. Система глобального позиционирования
ГЛОНАСС, Россия 111
3.1. Космический сегмент 111
3.2. Сегмент управления 118
3.3. Сегмент потребителей 120
3.4. Интерфейс системы ГЛОНАСС 121
3.4.1. Физические параметры радиосигналов ГЛОНАСС 122
3.4.2. Формирование кодовых последовательностей 127
3.4.3. Время системы ГЛОНАСС 131
3.4.4. Структура навигационного сообщения 344
3.4.5. Контроль целостности радионавигационного поля
СНС ГЛОНАСС 150
Глава 4. Система глобального позиционирования
GPS NAVSTAR, США 153
4.1. Космический сегмент 153
4.2. Сегмент управления 156
4.3. Сегмент потребителей 158
4.4. Интерфейс системы GPS NAVSTAR 159
4.4.1. Физические параметры радиосигналов GPS 162
4.4.2. Формирование кодовых последовательностей 166
4.4.3. Структура навигационного сообщения ID2 179
4.4.4. Содержание навигационного сообщения в подкадрах 193
4.5. Основные системные различия GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС 225
Приложение 1. Глоссарий 229
Приложение 2. Ресурсы Интернет 265
Список литературы 268
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская NAVSTAR. Именно к ним принято относить популярное сокращение GPS (Global Positioning System).
Давайте взглянем на них с точки зрения обывателя, не искушенного в тонкостях технологии, но имеющего желание (и возможности) применять практические блага этой технологии в быту. Будем откровенны: большинство российских граждан представляют себе GPS исключительно по портативным приемникам или автомобильным системам навигации. Можно предположить, что и за рубежом ситуация аналогична – не стоит преувеличивать уровень технической культуры зарубежного потребителя, зачастую он ниже, чем у российского. В результате у рядового потребителя к бытовым приемникам GPS сложилось отношение как к забаве для состоятельных людей, либо как к специфическому хобби.
Отчасти причиной этого является недостаточная популяризация технологии GPS в нашей стране. Если научная сторона вопроса освещается на должном уровне, в монографиях и сборниках научных работ, то изложение информации, интересной и понятной массовому потребителю, происходит в недостаточном объеме. При подготовке материала книги мы постарались частично восполнить этот пробел. В ряде случаев мы были вынуждены пойти на сознательные упрощения и сокращения, указывая читателю на первоисточники для более глубокого изучения вопроса.
Поскольку эта книга в основном адресована студентам, инженерам, и рядовым потребителям, желающим больше узнать о GPS, давайте обсудим, является ли ваш абонентский терминал дорогой игрушкой для взрослых, или это действительно полезный прибор. Впрочем, он хорош и как чрезвычайно интересное хобби, но об этом чуть позже.
Начнем с того, что в эпиграф многих книг и статей, посвященных спутниковому позиционированию, вынесены примерно следующие слова: "Пользователь системы GPS не должен забывать, что его терминал является лишь вспомогательным прибором. Никакая из существующих автоматических систем не освобождает его от необходимости знать основы и владеть навыками традиционной навигации".
В течение многих веков путешественники нуждались в методах определения своего местоположения на суше и на море. На суше можно было с удовлетворительной точностью ориентироваться по приметам ландшафта, используя компас, карту и отмечая пройденный путь. Чем подробнее карта, тем точнее удается определить свое положение на местности. Туристу или охотнику в большинстве случаев достаточно знать, как выйти на околицу деревни или к дороге федерального значения. Более подробно он ориентируется по визуальным признакам и на этом уровне ему совершенно не требуется точное знание геодезических координат.
Но стоит лишь немного усложнить ситуацию, как становится очевидной потребность в точных координатах. Например, при поисково-спасательных работах априорное знание координат может значительно сократить время поисков и спасти жизнь пострадавшим. Многие хорошо экипированные группы и отдельные путешественники имеют с собой аварийные радиомаяки. Координаты некоторых радиомаяков вычисляют, пеленгуя их со спутников. Точность этого метода во многих реальных ситуациях, к сожалению, недостаточно велика. GPS-маячки нового типа в случае опасности автоматически передают на спутник свои координаты. Но чтобы автоматически передать координаты, их сначала надо автоматически определить, не так ли? Поэтому такой маячок содержит в себе портативный приемник сигналов GPS. Очевидно, что это уже не дорогая игрушка, а эффективное средство спасения.
Далее, поисковая группа может двинуться на поиски, ориентируясь исключительно по карте. Любая карта, являясь условным изображением реальной местности, во-первых, должна быть точно привязана к системе координат "широта/долгота". Во-вторых, любая карта имеет определенные погрешности в изображении и привязке. У поисковой группы может просто не оказаться достаточно точной карты местности (это вовсе не редкость даже сейчас, особенно в горных районах) и реальная зона поисков при наложении всех погрешностей может "размыться" на несколько километров. Пилоты военной авиации имеют при себе аварийные маячки с автоматическим определением координат. Например, пресс-служба ВВС США неоднократно с гордостью подчеркивала, что для спасения пилотов, катапультировавшихся во время военных действий, поисковым группам для обнаружения пилотов требовалось ровно столько времени, сколько необходимо, чтобы добраться до конкретно заданной точки.
Привязку карты можно выполнять традиционными способами, при помощи угломерных методов, для чего требуются точные часы и прибор, замеряющий в данный момент времени положение Солнца на небосводе. Такой метод требует достаточно громоздкого оборудования, кропотливой работы, специальных навыков и дает точность, недостаточную для множества современных применений. Теперь для геодезических целей существует специальное оборудование на базе дифференциальных подсистем GPS, позволяющее позиционировать контрольные точки с точностью до долей сантиметра. Причем автоматически измеряются не только координаты на земной поверхности (долгота/широта) но и высота над уровнем моря.
Геодезическое оборудование, конечно, не относится к персональным бытовым приборам, но, так или иначе, имеет к нам отношение. Рано или поздно большинство из нас либо поедет по дороге, у которой практически отсутствуют вертикальные отклонения полотна, либо воспользуется высокоточной картой, либо по мобильному телефону со встроенной GPS вызовет аварийную службу на проселочную дорогу и будет уверен, что его там найдут, причем максимально быстро.
Если на суше GPS действительно воспринимается, как дополнительное устройство, то в открытом море система спутникового позиционирования почти незаменима. Для современного яхтсмена терминал GPS – основное средство навигации. Наверняка читатели знают о том, что яхты всех знаменитых путешественников оборудованы автоматическими устройствами, позволяющими не просто поддерживать заданный курс, а двигаться по заданному маршруту. В принципе, задача поддержания постоянного курса давно решена при помощи компасов и гироскопов, но когда речь идет о маршруте, нужно постоянно знать не только курс, но и пройденное расстояние. А как его автоматически измерять, находясь на воде? Только при помощи GPS. Впрочем, достаточно часто можно было слышать и о том, что система спутниковой навигации отказала во время шторма и штурман был вынужден, как и много веков назад, прокладывать курс по компасу и звездам.
Те, кому доводилось использовать или видеть систему навигации для автомобилистов, пожалуй, согласятся, что сама по себе система навигации, способная показывать движущуюся красную точку на карте, имеет не столь уж большую ценность для рядового автолюбителя. Хорошая автомобильная система навигации представляет собой развитый информационный комплекс, в котором привязка объекта к координатам играет едва ли не вспомогательную роль. В самом деле, часто ли автолюбителю необходимо знать долготу и широту своего местоположения? Ему гораздо интереснее знать, далеко ли до заправки, есть ли там рядом ресторан и гостиница. Поэтому современные автомобильные навигаторы используют компакт-диски, на которых кроме набора карт записана самая разнообразная информация справочного и рекламного свойства, вплоть до фотографий внешнего вида зданий, чтобы облегчить автомобилисту ориентацию в незнакомом городе. Сокращенно этот сервис называется IIS – Integrated Information System. Да, пока комплексные автомобильные системы GPS+IIS стоят весьма дорого, обычно от $1200 до $3000. Но такова судьба всех новинок, в предстоящем снижении цен и повышении доступности можно не сомневаться.
Надеюсь, сказанного выше достаточно, чтобы убедиться, что первоначальное впечатление о бытовом сегменте GPS, как о наборе дорогих, но малопрактичных игрушек, проистекает только из недостатка обзорной информации и неготовности самого обывателя сполна использовать все возможности GPS. Остается лишь добавить, что напрасно, наверное, многие технические обозреватели и журналисты помещают информацию о бытовых GPS-устройствах в раздел "Gadgets" (забавные безделушки – англ).
С точки зрения массового потребителя, система спутникового позиционирования совершила относительно "тихое" вторжение в нашу повседневную жизнь. Результаты этого вторжения далеко не так очевидны и понятны массовому потребителю, как, например, в случае с изобретением и распространением телефонной связи, телевидения или Интернет. Тем не менее, аббревиатура GPS все чаще слышна в обиходе, а соответствующее оборудование наконец-то в достаточном ассортименте и по доступной цене можно приобрести и в России.
Необходимо с самого начала внести ясность в базовую терминологию. Начнем с того, что к сожалению, фактическим "законодателем стандартов" в спутниковом позиционировании, и особенно его бытовом сегменте, стали Соединенные Штаты. Речь идет о широко распространенном потребительском оборудовании, которое во всем мире ассоциируется, прежде всего, с принадлежащей США навигационной системой NAVSTAR. Причина этого, скорее, не в национальном научном потенциале, а в том, что Соединенные Штаты смогли регулярно инвестировать в свою программу сотни миллионов долларов, именно в тот период, когда Советский Союз переживал тяжелейшие времена застоя и последующего распада. Ведь спутниковое позиционирование – это, прежде всего, космическая программа, влекущая за собой множество сопутствующих исследований и разработок, требующих гигантских капиталовложений. Исторически сложилось так, что запустив первый спутник и являясь признанным мировым лидером в освоении космоса, наша страна до сих пор испытывает проблемы с построением собственной системы спутниковой навигации.
Завершенность национальной системы определяется не только количеством спутников на орбите, но и наличием развитой индустрии потребительского оборудования. Навигационное оборудование российского производства покрывает весьма малую часть мирового рынка. Между тем, по прогнозам Министерства торговли США, объем продаж на мировом рынке навигационных систем в 2003 г. превысит 16 миллиардов долларов. Очевидно, что фактический монополист на рынке потребительских услуг мирового масштаба объективно приобретает дополнительные рычаги политического влияния.
Сокращение GPS впервые возникло в США и означает Global Positioning System – Система Глобального Позиционирования. Строго говоря, это сокращение обобщенное, оно не является именем собственным ни одной из существующих систем. Американская система глобального спутникового позиционирования в процессе развития несколько раз меняла свое название и сейчас называется NAVSTAR. Это сокращение в официальных американских источниках расшифровывается как Navigation system with timing and ranging, навигационная система с определением времени и дальности. Иногда можно встретить и другой, не совсем корректный вариант: Navigation satellite timing and ranging, измерение времени и дальности посредством навигационного спутника.
Российская навигационная система имеет сокращенное название ГЛОНАСС (GLONASS) – Глобальная навигационная спутниковая система, или на английском языке Global Navigation Satellite System. Таким образом, на сегодняшний день существует две системы глобального позиционирования, NAVSTAR и ГЛОНАСС, и было бы более правильным американскую систему называть NAVSTAR GPS, а российскую GLONASS GPS. Но по упомянутым выше историко-экономическим причинам, в мировой практике сокращение GPS стало подразумевать под собой не только систему глобального позиционирования вообще, но и конкретно NAVSTAR. А когда за рубежом хотят упомянуть ГЛОНАСС, то часто делают оговорку "Russian GPS" или "GLONASS GPS". Аналогично, в российской практике, даже среди узких специалистов, принято отечественную систему называть ГЛОНАСС, а американскую просто GPS. Например, "Модуль частотно-временной синхронизации по сигналам ГЛОНАСС/GPS".
Теперь, когда мы разобрались с сокращениями, задумаемся о том, почему система глобального позиционирования стоит того, чтобы инвестировать в нее огромные средства государственного бюджета. Проблема навигации стояла перед человечеством с древнейших времен. По сути, человек разумный всегда задавал себе два вопроса: "Где я?" и "Куда я должен двигаться?". Первый вопрос – это позиционирование на местности, второй – прокладка курса, не важно, сухопутного или морского. Все вместе это уже навигация. Простейшая навигация состояла в ориентировании на местности по визуальным ориентирам (река, гора, овраг, рисунок береговой линии). Затем человек научился ориентироваться по солнцу и звездам. Умение позиционировать себя на местности в древние времена имело гигантское значение для народа в целом. Только те народы, которые научились ориентироваться в открытом море по компасу, солнцу и звездам, могли посылать свои торговые и военные корабли через моря и океаны.
Новая эпоха предъявляет новые требования. Военным и гражданским пользователям нужна принципиально новая точность. Сейчас невозможно представить себе гигантский океанский лайнер, курс которого штурман прокладывает по солнцу, звездам и компасу.
Но наиболее очевидно проблема точного позиционирования вырисовывается, если вспомнить о чрезвычайно интенсивном воздушном движении в небе большинства стран. Как часто мы слышим о том, что самолет в тумане врезался в скалу или отклонился от курса и упал в море! Вблизи крупных городов даже незначительное отклонение от курса может стоить жизни сотням людей. Причем, в случае с авиацией, позиционирования в двух измерениях "широта-долгота" уже недостаточно. Требуется точное позиционирование по высоте, а его не мог предоставить ни один из традиционных методов навигации. Радиолокационные и лазерные высотомеры успешно измеряют расстояние от самолета до земной поверхности в конкретной точке его траектории, но это очень мало помогает взаимно соотнести положение двух или более самолетов в воздушном пространстве. Например, два самолета летят встречными курсами, но высотомер одного из них измеряет в данный момент расстояние до впадины, а второго до холма на земной поверхности. Получаются два разных значения относительной высоты, тогда как абсолютная высота может совпадать. Но как измерить абсолютную высоту? В какой-то мере эту проблему удавалось решить, сочетая показания радиовысотомера, барометрического высотомера и карты местности. Но для современных условий результирующая точность таких измерений уже слишком мала и небезопасна.
Наивно было бы полагать, что только гражданские потребности послужили толчком для создания GPS. Системы глобального позиционирования и в США, и в России создавались, прежде всего, для военных целей. В 1960…1970-е гг. гонка вооружений была в самом разгаре и военные остро нуждались в высокоточной системе позиционирования, действующей в любом месте земного шара и круглосуточно доступной для любого военного объекта. Военные доктрины развитых стран к этому моменту претерпели существенные изменения. Появилось ядерное оружие, имеющее огромную разрушительную мощь, были созданы эффективные носители, способные доставить его в любой регион. Стало очевидно, что при задействовании столь мощного вооружения война просто не может быть долгой, и победит тот, кто первый и с максимальной точностью нанесет дистанционные удары по инфраструктуре противника. Первым требованием военных было создание системы точного наведения ракет и бомбардировщиков на цель. Кроме этого, военно-морской флот остро нуждался в эффективной и надежной системе навигации для ракетонесущих подводных лодок. С одной стороны, необходимо обеспечить позиционирование самой субмарины, желательно без частых всплытий, а с другой стороны, организовать наведение на цель имеющихся на борту баллистических ракет.
Следующим, после военных, крупнейшим потребителем услуг точного позиционирования являются государственные картографические службы.
Так почему же для навигационных целей используется именно спутниковая система? Во-первых, истинную глобальность навигационного сервиса может обеспечить только использование спутников, любая другая система заведомо будет иметь локальный характер. Наземные станции можно разместить только на территории своей страны или дружественных стран, морские просторы в этом случае вообще не поддаются полному охвату. Во-вторых, использование станций, находящихся на земной поверхности, не позволяет с необходимой точностью определять высоту объекта. Кроме того, использование спутников, излучающих сверхвысокочастотный сигнал, позволяет сделать пользовательское оборудование по-настоящему мобильным. Мобильность повышается также за счет того, что максимально возможная функциональная нагрузка вынесена на спутники и наземные станции управления, а мобильное приемное устройство должно произвести лишь окончательную обработку заранее подготовленной информации.
Каждый спутник, входящий в состав GPS, излучает радиосигнал определенного рода. Любое пользовательское устройство GPS, гражданское или военное, прежде всего, является приемником этих радиосигналов. Именно поэтому возникло устойчивое бытовое словосочетание "приемник GPS". Но сигналы недостаточно принять со спутников, необходимо произвести измерение их параметров, извлечь заложенную в них информацию и произвести довольно сложные вычисления. Полученную информацию чаще всего необходимо отобразить в виде, понятном человеку. Устройство, которое проделывает все эти операции, называют пользовательским терминалом (или приемоиндикатором) GPS, тогда как просто приемник GPS обычно является лишь модулем более сложного устройства или комплексной системы. Но традиционно, в быту, мобильные терминалы GPS называют просто приемниками, и мы тоже будем придерживаться этой терминологии, исключая некоторые особые случаи.
Как это часто случается, потребности стимулируют появление новых возможностей, а новые возможности, в свою очередь порождают новые идеи и потребности. Так, например, с появлением портативных приемников GPS возникла идея создания принципиально новой автомобильной системы безопасности. Такая система способна точно отслеживать координаты автомобиля и передавать их на пост контроля, используя обычную сотовую связь. Появилась возможность принципиально перестроить систему управления движением поездов, размещая на них приемники GPS. Новая система способна не только точно отслеживать и оптимизировать движение поездов, но и автоматически включать режим экстренного торможения при опасном сближении составов.
Более того, в настоящее время GPS используется даже для решения такой чрезвычайно критичной задачи, как автоматическое выведение летательных аппаратов на посадочную глиссаду и далее до точки касания со взлетно-посадочной полосой. Разумеется, в этом случае к системе предъявляются особо жесткие требования и применяются специальные функциональные дополнения. Например, дополняющим компонентом может быть точно позиционированный наземный передатчик, имитирующий сигнал спутника (псевдолит).
За рубежом отсутствие необоснованных бюрократических преград и ценовая доступность бытовых приемников GPS сделали оборудование спутникового позиционирования обязательным элементом оснащения туристов, охотников, рыбаков – иными словами, всех, кто вынужден путешествовать вдали от дома.
Зарубежные автомобилестроительные фирмы встраивают оборудование GPS в некоторые модели автомобилей в качестве штатного оборудования. Пока это лишь дорогие модели, но наблюдается тенденция к комплектации терминалами GPS и моделей среднего ценового диапазона. Можно не сомневаться, что рано или поздно приемник GPS станет обязательным компонентом любого автомобиля.
Эти факты лишний раз доказывают, что в ближайшем будущем системы спутниковой навигации будут все больше влиять на качество нашей повседневной жизни, а информация об их устройстве и возможностях имеет большую познавательную ценность для читателей, интересующихся достижениями современной науки.