Общие сведения о навигационных системах

В 1958–1959 гг. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А.Ф. Можайского, Институте теоретической астрономии АН СССР, Институте электромеханики АН СССР, двух морских НИИ и Горьковском НИРФИ проводились исследования по теме " Спутник", ставшие впоследствии основой для построения первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы " Цикада". В 1963 году начались работы по построению этой системы. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник " Космос-192".

Параллельно с этим, после успешного запуска СССР первого искусственного спутника земли, в США в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса проводились работы по вычислением параметров движения спутника относительно наземного пункта наблюдения. На основе этих исследований в 1964 году в США создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения " Transit". Основное её назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. Так же, как и в системе " Цикада", в системе " Transit" координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников.

В первых системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что системы низкоорбитны, время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа.

Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов спутников с необходимой точностью. Для этих целей в 1967 году ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 году - спутника TIMATION-II. В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных. В 1973 году в США была инициирована программа создания навигационной системы DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Первоначально глобальная система позиционирования GPS разрабатывалась как чисто военный проект. В 1983 году президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей [2]. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.

В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника " Космос-1413". Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам - ПО " Полёт" (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определён Российский институт радионавигации и времени.

Системы NAVSTAR и ГЛОНАСС концептуально аналогичны и отличаются некоторыми аспектами технической реализации. В их основе - орбитальные группировки спутников на круговых орбитах. Высота орбит такова, что спутники совершают примерно два оборота вокруг Земли в сутки. Номинально в каждый момент системы имеют 24 работающих спутника и 3 резервных.

Спутники распределены по нескольким орбитальным плоскостям – в ГЛОНАСС их 3, в NAVSTAR – 6. На каждой орбите, таким образом, находится 8 и 4 спутника, соответственно.

Для NAVSTAR плоскости орбит разнесены по прямому восхождению на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 54°.

У NAVSTAR – высота орбиты 20150 км и период обращения 11 часов 57 минут, у ГЛОНАСС – 19100 км и 11 часов 16 минут соответственно (т.е. периоды обращения равны почти половине звездных суток).

На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования, их погрешность составляет 1 секунду за 160 000 лет), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.