§ 48. Принцип работы систем спутниковой навигации

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, положение которых известно заранее с большой точностью. Таблица положений спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый навигатор до начала измерений. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений на основе альманаха можно вычислить положение объекта в пространстве.

Положим, что нам известно точное расстояние до спутника X – 10000 км. Это означает, что мы находимся на воображаемой сфере радиусом в 10 000 км с центром, совпадающим со спутником X. Если расстояние от нас до спутника Y составляет в этот же момент времени 15000 км, это еще больше сократит пространство, где мы можем находиться, поскольку единственная область, где мы можем быть на расстоянии в 10 000 км от спутника X и 15 000 км от спутника Y, есть линия пересечения двух сфер - окружность. Если мы произведем измерение дальности еще и до третьего спутника (например, 12 000 км), то сможем свести свое возможное местоположение до двух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 12 000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 10 000 и 15 000 км. Одна из двух точек отбрасывается как неправдоподобное решение.

Система спутниковой навигации работает, измеряя время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Если мы можем точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы его получили, можно будет выяснить, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость сигнала на время, мы сможем получить искомое расстояние от нас до спутника.

На борту спутников установлены атомные часы. К счастью, присутствие таких же часов в наземных навигаторах вовсе не требуется, так как существует способ обойтись часами умеренной точности - достаточно произвести измерение дальности еще до одного (четвертого) спутника. Три точных измерения определяют положение точки в пространстве, а четыре неточных могут исключить относительное смещение шкалы времени приемника.

Движение спутников системы навигации находится под контролем наземных станций слежения. Спутники проходят над контрольными наземными станциями дважды в сутки, что дает возможность точно измерять их высоту, положение и скорость.

Наземные станции определяют параметры движения спутника и передают эту информацию обратно на него, заменяя в памяти бортового компьютера прежние данные. Поэтому спутники всегда передают информационные сообщения о своем точном положении на орбите. Все виды наземных приемников используют эту информацию, для того чтобы установить точное положение спутника.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

• Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

• Неоднородность атмосферы (ионосферы), из-за которой скорость распространения радиоволн может меняться в определённых пределах;

• Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

• Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.