1.3 Спутниковые системы посадки

Современные тенденции развития авиации направлены на замену радиотехнических систем посадки на спутниковые. Они используют сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с применением дифференциальных поправок – GPS, ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), GALILEO (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM), BEIDOU.

Основными ГНСС являются:

- GPS (США);

- ГЛОНАСС (Россия);

- GALILEO (ЕС);

- BEIDOU (КНР).

GPS – это американская спутниковая навигационная система, предназначенная для определения координат, скорости и точного времени в любой точке Земли и в любое время суток. Система обеспечивает высокую точность определения положения как для военных, так и для гражданских пользователей [3].

Система GPS начала разрабатываться Министерством обороны США в 1970-х годах. Целью было создание единой глобальной системы навигации, способной заменить разрозненные навигационные решения, использовавшиеся в авиации и на флоте. Первые испытательные спутники серии NAVSTAR (NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING) были запущены в конце 1970-х, а полная эксплуатационная готовность системы была объявлена в 1995 году [3].

Первоначально GPS создавалась в интересах вооружённых сил, но уже в 1980-х годах было принято решение о предоставлении доступа гражданским пользователям, что сделало систему универсальным инструментом глобальной навигации.

Каждый спутник GPS передаёт сигналы на фиксированных частотах диапазонов L₁ (1575,42 МГц) и L₂ (1227,60 МГц), содержащие кодовые последовательности, уникальные для каждого аппарата.

Современная система GPS обеспечивает точность позиционирования для гражданских пользователей порядка 1,5-3 метров по горизонтали и до 5 метров по вертикали при благоприятных условиях приёма. Для военных пользователей и при использовании дифференциальных корректировок точность может достигать нескольких сантиметров.

Спутник NAVSTAR представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Спутник NAVSTAR

Корректирующие системы, такие как WAAS и EGNOS (EUROPEAN GEOSTATIONARY NAVIGATION OVERLAY SERVICE), повышают точность позиционирования гражданских пользователей за счёт внесения поправок в сигналы и контроля целостности данных.

GPS обладает высокой надёжностью и устойчивостью к внешним воздействиям. Спутники оснащены атомными часами высокой точности, а постоянный мониторинг системы позволяет своевременно корректировать любые отклонения.

Система GPS непрерывно модернизируется. В настоящее время осуществляется переход на поколение GPS III, включающее новые спутники с улучшенной точностью измерений, повышенной мощностью передатчиков и расширенным набором сигналов. Эти обновления направлены на повышение совместимости с другими ГНСС-системами, такими как ГЛОНАСС, GALILEO и BEIDOU, что обеспечивает глобальную интеграцию и повышение точности навигации в сложных условиях.

В перспективе планируется внедрение технологий GPS IV, а также создание полностью цифрового архитектурного ядра системы для поддержки будущих форматов сигнала, повышения энергоэффективности и безопасности передачи данных.

Система GPS является первой и наиболее массово применяемой глобальной навигационной системой мира. Она обладает развитой инфраструктурой, высокой точностью и стабильностью работы. Постоянная модернизация спутникового и наземного сегментов обеспечивает актуальность и технологическое лидерство GPS, а также её совместимость с другими навигационными системами. Благодаря этим преимуществам GPS остаётся базовым инструментом для решения широкого круга задач позиционирования и навигации в глобальном масштабе.

ГЛОНАСС – это отечественная спутниковая навигационная система, предназначенная для определения местоположения, скорости и времени в любой точке Земли и околоземного пространства. Разработка системы началась в СССР в конце 1970-х годов в ответ на формирование американской системы GPS. Основной целью создания ГЛОНАСС являлось обеспечение независимости страны в области навигационного обеспечения как военного, так и гражданского назначения.

Первый испытательный спутник системы был запущен в 1982 году. К концу 1990-х годов ГЛОНАСС достигла начальной эксплуатационной готовности, однако после распада СССР система пережила спад: часть спутников была выведена из эксплуатации, финансирование ограничено. С начала 2000-х годов началась активная программа восстановления и модернизации группировки, что позволило в 2011 году вновь достичь полной глобальной покрытия.

В настоящее время реализация программы ГЛОНАСС продолжается под руководством государственной корпорации «Роскосмос». Система постоянно совершенствуется: внедряются новые типы спутников, повышается точность сигналов и надёжность работы.

Современная навигационная точность ГЛОНАСС при гражданском использовании составляет в среднем от 2,8 до 4,5 метров по горизонтали и до 10 метров по вертикали. Для военных и специальных пользователей обеспечивается существенно более высокая точность.

Система поддерживает устойчивую работу при неблагоприятных условиях, а возможность совместного использования сигналов ГЛОНАСС и GPS в современных многосистемных приёмниках позволяет достичь точности позиционирования до 1 метра и выше.

В рамках программы модернизации разработаны поколения спутников:

- ГЛОНАСС-М  спутники второго поколения, обеспечивающие передачу двух сигналов (L1 и L2) и срок службы до 7 лет;

- ГЛОНАСС-К  третье поколение, использующее трёхчастотную структуру сигналов, увеличенный срок службы до 10 лет и уменьшенную массу аппарата;

- ГЛОНАСС-К2  перспективная серия, ориентированная на повышение точности и энергоэффективности, а также полную совместимость с международными навигационными стандартами.

ГЛОНАСС нашла широкое применение в различных областях экономики: транспортной навигации, геодезии, сельском хозяйстве, строительстве, мониторинге транспорта и охране окружающей среды. Кроме того, система активно используется для обеспечения навигации в системах экстренного реагирования (комплекс «ЭРА-ГЛОНАСС»), что имеет важное социальное и практическое значение.

ГЛОНАСС является стратегически важным компонентом национальной инфраструктуры России, обеспечивая независимость в области спутниковой навигации. Система обладает высокой точностью, надёжностью и стабильным развитием. Проведение модернизации позволяет поддерживать конкурентоспособность ГЛОНАСС на уровне мировых навигационных систем и способствует её интеграции в единую глобальную навигационную среду.

Навигационная система GPS и ГЛОНАСС состоит из трёх взаимосвязанных сегментов, а именно из космического сегмента, наземного сегмента и пользовательского сегмента.

Космический сегмент  орбитальная группировка из 24-31 спутника, находящихся на шести орбитальных плоскостях на высоте около 20 200 км, с наклонением 55°. Каждая плоскость содержит по 4-5 спутников, обеспечивая видимость не менее четырёх спутников из любой точки Земли в любое время [4].

Космический сегмент обеспечивает непрерывную генерацию и передачу радионавигационных сигналов в глобальном масштабе. На его спутниках размещены атомные часы и радиотехнические подсистемы, формирующие навигационные послания, которые содержат, точное время передачи, координаты спутника в данный момент (эфемериды) и служебную информацию.

Основные функции космического сегмента является генерация навигационных радиосигналов, передача корректных эфемерид и шкалы времени, поддержание непрерывного глобального покрытия Земли и ретрансляция данных для оценки состояния системы.

Наземный сегмент – включает сетку станций слежения, главные контрольные центры, станции загрузки навигационных данных и системы синхронизации времени.

В его состав входит главный контрольный центр, сеть контрольно-измерительных станций и загрузочные станции.

Главный центр управления является основным вычислительным и организационным узлом системы. В нем производится обработка данных, поступающих от контрольно-измерительных станций, а также формирование служебной информации для передачи на спутники.

Функции центра управления включают:

- сбор телеметрической информации с орбитальных аппаратов;

- определение текущих орбитальных параметров и вычисление эфемерид;

- коррекцию и прогнозирование орбит движения спутников;

- расчёт и контроль временной шкалы системы;

- формирование навигационных сообщений для передачи на космические аппараты;

- мониторинг технического состояния системы и планирование манёвров спутников.

Пользовательский сегмент  совокупность всех навигационных приёмников, используемых в военных и гражданских целях

Схема взаимодействия всех трех сегментов представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема взаимодействия космического, управляющего и пользовательского сегментов

Главные центры управления расположены в зависимости от навигационной системы в различных странах:

- GPS – база Шривер, Колорадо (США);

- ГЛОНАСС – центр управления системой ГЛОНАСС в г. Королёв (Россия);

- сеть контрольно-измерительных станций.