Считается, что спутниковая навигация появилась 4 октября 1957 года – тогда был запущен первый искусственный спутник Земли. Первая спутниковая радионавигационная система, позволяющая определять координаты объекта при помощи радиосигналов, поступающих со спутника, была создана лишь в конце 70-х годов. Системы навигации используются геодезистами, спасателями, работают на баллистических ракетах, для обеспечения безопасности граждан государства.
Принцип работы навигатора должен соответствовать основному требованию – точность определения пространственных и временных координат и возможность получать навигационную информацию в любой момент.
Принцип работы спутниковой системы заключается в следующем: приёмник навигационных сигналов измеряет задержку распространения сигнала от каждого из видимых спутников до приемника. Задержка сигнала, умноженная на скорость света, — это расстояние от спутника в момент излучения до приемника в момент приема. Из принятого сигнала приемник получает информацию о положении спутника. Принцип работы спутниковой системы основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Принцип работы навигатора и всей системы можно передать схематически: пользователь находится в точке пересечения нескольких сфер, центрами которых являются видимые спутники. Радиусы сфер равны дальности до каждого из спутников. Для определения широты и долготы приемнику необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью. Эти данные позволяют найти координаты пользователя, решив некоторую систему уравнений. Принцип работы навигатора требует дополнительной корректировки, поскольку при определении координат объекта возникают ошибки, связанные с влиянием ионосферы, температуры воздуха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит погрешность до 30 м). Эфемеридная погрешность (разница между расчетным и реальным положением спутника) составляет от 1 до 5 м; интерференция тоже вносит свой вклад. Суммарная ошибка может достигать 100 м. Для уменьшения погрешностей используется так называемый дифференциальный режим GPS (кстати, не будем забывать и про отечественный ГЛОНАСС). В этом режиме приемник пользователя получает поправки к своим координатам от базовой станции. Обычно поправки передаются в реальном времени по радиоканалу. В результате точность определения координат достигает 15 м. Новым классом систем относительной навигации являются системы, обеспечивающие (в реальном времени) точность местоопределения порядка 1 см. Принцип работы спутника таков: опорная станция и приемник пользователя получают сигналы от спутников. Затем опорная станция посылает результаты измерения фазы и псевдодальности всех видимых спутников на приемник пользователя. В результате обработки на приемнике относительные координаты определяются с точностью до 1 см в реальном времени с надежностью 0,999. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Принцип работы навигатора позволяет дополнительно накапливать и обрабатывать эти данные за определённый промежуток времени, благодаря чему становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.
Элементы спутниковой системы
Как и любая другая система, навигация состоит из компонентов, выполняющих практические функции в рамках основных задач. Элементы спутниковой системы можно выделить следующие: Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат.
