GNSS Global Navigation Satellite System Глобальная спутниковая навигационная система

Приемники глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), использующие системы GPS, ГЛОНАСС, Галилео или Бэйдоу, есть во многих приложениях. Первые системы были разработаны в 20-м веке, главным образом, чтобы помочь военным ориентироваться, но информация о местоположении вскоре нашла гражданское применение.

Спутниковая навигация или спутниковая навигационная система — это система, которая использует спутники для обеспечения автономного геопространственного позиционирования. Он позволяет небольшим электронным приемникам определять свое местоположение (долготу, широту и высоту) с высокой точностью (в пределах от нескольких сантиметров до нескольких метров), используя временные сигналы, передаваемые радиосигналом с видимых спутников. Система определяет местоположение, используется в навигации или для отслеживания чего-либо, оснащенного приемником (спутниковый трекинг). Благодаря сигналу электронный приемник вычисляет текущее местное время с высокой точностью, что позволяет синхронизировать время. Эти виды использования называются: позиционированием, навигацией и синхронизацией (PNT). Системы спутниковой навигации работают независимо от любого телефонного или интернет-приема, хотя эти технологии увеличиивают пользу информации о местоположении.

Спутниковую навигационную систему с глобальным охватом можно назвать глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS). По состоянию на октябрь 2018 года, глобальная система позиционирования США (GPS) и глобальная навигационная спутниковая система России (ГЛОНАСС) полностью функционирюще GNSS, а китайская навигационная спутниковая система BeiDou (BDS) и Европейская Galileo будут спользоваться полностью к 2020 году. Японская квази-зенитная спутниковая система (QZSS) представляет собой спутниковую систему усиления GPS для повышения точности GPS, причем появление спутниковой навигации, независимой от GPS, запланирована на 2023 год. У Индии своя региональная навигационная спутниковая система (IRNSS), также известная как навигация с индийским созвездием спутников (NAVIC), автономная региональная спутниковая навигационная система с точным позиционированием и синхронизацией в реальном времени. Планируется расширения до глобальной версии в долгосрочной перспективе.

Глобальный охват каждой системы, как правило, обеспечивается спутниковой группой из 18-30 спутников средней околоземной орбиты (MEO), расположенных между несколькими орбитальными плоскостями. Cистемы отличаются, но все используют наклоны орбит >50° и орбитальные периоды примерно в двенадцать часов (на высоте около 20 000 километров или 12 000 миль).

Наземная радионавигация используется давно. Системы DECCA, LORAN, GEE и Omega использовали наземные длинноволновые радиопередатчики, которые передавали радиоимпульс из известного «ведущего» местоположения, за которым следовал импульс, повторенный с нескольких «ведомых» станций. Задержка между приемом основного и зависимого сигналов позволяла приемнику вычислять расстояние до каждого из зависимых сигналов.

Первой спутниковой навигационной системой был Transit, система, развернутая американскими военными в 1960-х гг. Transit была основана на эффекте Доплера: спутники перемещались по известным траекториям и передавали свои сигналы на известной радиочастоте. Принимаемая частота незначительно отличается от частоты вещания из-за движения спутника относительно приемника. Отслеживая этот сдвиг частоты в течение короткого промежутка времени, приемник может определить свое местоположение в той или иной стороне от спутника, и несколько таких измерений в сочетании с точным знанием орбиты спутника могут зафиксировать определенное положение. В этом случае могут появляться ошибки. Ошибки орбитального положения спутников вызваны, в частности, изменениями гравитационного поля и рефракцией радара. Но группа ученых во главе с Гарольдом Лансом из аэрокосмического подразделения Pan Am во Флориде решила эту проблему в 1970-1973 годах. Используя ассимиляцию данных в реальном времени и рекурсивную оценку, систематические и остаточные ошибки были сведены к управляемому уровню для обеспечения точной навигации.

Часть вещания орбитального спутника включала точные орбитальные данные. В целях обеспечения точности, военно-морская обсерватория США (USNO) непрерывно наблюдала за точными орбитами этих спутников. Поскольку орбита спутника отклонялась, USNO отправлял обновленную информацию на спутник. Последующие радиопередачи с обновленного спутника содержат его самые последние эфемериды.

Современные системы более прямолинейны. Спутник передает сигнал, содержащий орбитальные данные (по которым можно вычислить положение спутника) и точное время передачи сигнала. Орбитальные данные содержат приблизительный перечень всех спутников, чтобы помочь в их поиске, и точную эфемериду для одного конкретного спутника. Орбитальная эфемерида передается в виде кода с информацией о времени. Спутник использует атомные часы для поддержания синхронизации всех спутников в созвездии. Приемник сравнивает время вещания, закодированное в передаче трех или четырех различных спутников, тем самым измеряя время полета до каждого спутника. Несколько таких измерений могут выполняться одновременно на разных спутниках, что позволяет получать непрерывную фиксацию в реальном времени с использованием адаптированной версии трилатерации.

Каждое измерение расстояния, независимо от используемой системы, помещает приемник на сферическую оболочку на измеренном расстоянии от передатчика. После нескольких измерений находится точка их пересечения и местоположение корректируется. Однако в случае быстродвижущихся приемников положение сигнала изменяется по мере поступления сигналов от нескольких спутников. Кроме того, радиосигналы немного замедляются в ионосфере, и это замедление изменяется с углом приемника к спутнику. Таким образом, вычисления ищут кратчайшую направленную линию, касательную к четырем сплющенным сферическим оболочкам, центрированным на четырех спутниках. Приемники спутниковой навигации редко ошибаются. Они используют комбинации сигналов от нескольких спутников и нескольких корреляторов, добавляют такие методы, как фильтрация Калмана, чтобы объединить зашумленные, частичные и постоянно меняющиеся данные в единую оценку положения, времени и скорости.

Системы GNSS, обеспечивающие повышенную точность мониторинга в гражданской навигации делятся на:

• GNSS-1 — система первого поколения и представляет собой комбинацию существующих спутниковых навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС) со спутниковыми системами усиления (SBAS) или наземными системами усиления (GBAS). В Соединенных Штатах система называется WAAS, в Европе EGNOS, а в Японии — MSAS.

• GNSS-2 — второе поколение систем, которые самостоятельно обеспечивают полноценную гражданскую спутниковую навигационную систему, например европейская система позиционирования Galileo. Эти системы обеспечат необходимую для гражданской навигации точность мониторинга, в том числе и для воздушных судов. Первоначально эта система состояла только из верхних частот L-диапазона (L1 для GPS, E1 для Galileo, G1 для ГЛОНАСС). В последние годы системы GNSS начали активацию нижних частот L-диапазона (L2 и L5 для GPS, E5a и E5b для Galileo, G3 для ГЛОНАСС) для гражданского использования. Они отличаются более высокой точностью и меньшим количеством проблем с отражением сигнала. 

По состоянию на конец 2018 года продается несколько устройств GNSS потребительского класса, которые используют оба диапозона чистот, они называются "двухдиапазонными GNSS" или "двухдиапазонными GPS" устройствами.

По роли в системе навигации системы можно классифицировать как:

1. Основные спутниковые навигационные системы, в настоящее время GPS (США), ГЛОНАСС (Российская Федерация), Galileo (Европейский Союз) и Beidou (Китай).

2. Глобальные спутниковых систем функционального дополнения (SBAS), таких как Omnistar и StarFire.

3. Региональные SBAS, включая WAAS (США), EGNOS (ЕС), MSAS (Япония) и GAGAN (Индия).

4. Региональные спутниковые навигационные системы, такие как индийская NAVIC и японская QZSS.

5. Системы наземного усиления континентального масштаба (GBAS), например, австралийская GRAS и система объединенных: береговой охраны США, канадской береговой охраны, Инженерного корпуса армии США и Министерства транспорта США — Национальная дифференциальной служба GPS (DGPS).

6. GBA регионального масштаба, такие как CORS networks.

7. Местные станции, с одной базовой GPS станцией, работающей в режиме кинематики реального времени (RTK).

Поскольку многие глобальные системы GNSS (и системы усиления) используют аналогичные частоты и сигналы около L1, было создано много «multi-GNSS» приемников, способных использовать несколько систем.