Как это работает? | Спутниковая система навигации

Идея создания спутниковой системы навигации родилась в 50-е годы прошлого века. Американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника, и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Тем самым, точно зная свои координаты на Земле, можно измерить положение и скорость спутника, и наоборот, зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Первые шаги по созданию GPS были предприняты американцами в 1964 году с запуском спутников по программе Timation на околоземную орбиту. Изначально GPS задумывался как военная технология, но в процессе работы систему решили использовать для гражданских целей. Для этого специальным алгоритмом была уменьшена ее точность. Советские ученые начали работу над отечественной системой ГЛОНАСС в 76 году. Изначально она также имела лишь военное предназначение.

Система навигации состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Космический представлен 32-мя спутниками у GPS и 28-ю у ГЛОНАСС, вращающихся на средней орбите Земли. Управляющий сегмент состоит из нескольких станций мониторинга и наземных антенн, корректирующих данные о расположении объектов. Спутники транслируют сигнал из космоса, и все приёмники используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по координатам в режиме реального времени. Для этого приёмник должен принимать сигнал как минимум от трех (а лучше четырех) спутников.

Спутники GPS вращаются вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям по 4 спутника в каждой на высоте 20 180 км. За звездные сутки они совершают два полных витка вокруг Земли. Орбита спутников ГЛОНАСС в отличие от GPS располагается на высоте 19 400 км для более точного использования в северных и южных полярных регионах.

Спутники непрерывно отправляют сигнал на всю доступную поверхность планеты с информацией о своем расположении и времени на собственных часах. Они не принимают данных ни о каких устройствах-приемниках. Приемник получает координаты спутников и информацию о времени отправки сигналов и рассчитывает расстояние до каждого спутника. Это выполняется программой путем умножения скорости света на разницу между временем получения и временем отправки сигнала.

Задача усложняется тем, что время на часах принимающего устройства не совпадает с тем, что показывают часы спутников. Кроме того, спутники подвержены эффектам релятивистского и гравитационного искажения времени. На высоте 20 000 километров гравитация достаточно слаба, а спутники перемещаются с большой скоростью. Из-за этих эффектов часы приходится корректировать на 38 миллисекунд в сутки. Если этого не делать, то погрешность при определении координат на Земле может составлять около 10 км!

Рассчитав расстояние до каждого из трех-четырех спутников, приемник анализирует полученные данные и определяет свое точное местоположение.

Недостатками навигационных систем является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может не доходить до приемника: например, в подвале или тоннеле. Также уровень приема может ухудшаться из-за большой облачности и магнитных бурь.