Формула ГЛОНАСС: как спутник выделяет из миллиардов сигналов нужный
Тридцать пять лет назад, 12 октября 1982 года, на орбиту был выведен первый спутник ГЛОНАСС. Он стал первенцем глобальной навигационной спутниковой системы - советского проекта, задуманного еще в 60-х. Интересно, что еще до ГЛОНАСС отечественные инженеры уже разработали и запустили шесть спутников навигационного комплекса "Циклон", - гражданский вариант этой системы назывался "Цикада".
Стремительное развитие аппаратной космонавтики поражало: первый простейший спутник (ПС1) был запущен в 1957 году, а уже в 1967-м в СССР уже начали формировать спутниковую группировку для первой системы навигации: на орбиту были выведены спутники Космос-192 и Космос-220. Когда число спутников достигло шести, стало возможным обеспечивать определение плановых координат местоположения. Для этого спутники были оснащены бортовыми ретрансляторами для радиотелеграфной связи кораблей ВМФ и подводных лодок с береговыми пунктами управления и между собой.
Правда, работа этой системы была еще весьма несовершенной: задержка по времени могла достигать трех часов, а ошибка в определении координат - ста метров. В современных навигационных системах речь идет о мгновенной передаче сигнала при ошибках в диапазоне двух сантиметров.
Спутниковая группировка современной система ГЛОНАСС состоит из 28 спутников, 24 из которых находятся в режиме эксплуатации.
Наличие 24 космических аппаратов необходимо для полного покрытия поверхности Земли. Система ГЛОНАСС позволяет определять местоположение и скорость объектов в абсолютно любой точке земного шара. Как же спутники выхватывают из миллиарда сигналов мобильников волну вашего телефона? Неужели его мощность позволяет "добивать" до спутника?
На самом деле многое решается на уровне самого телефона, в который встроена возможность вычисления своего местоположения и сравнения его с предыдущим. Но объяснение стоит начать с метода вычисления.
Каждый объект навигации (например, телефон) должен постоянно "видеть" сигналы не менее чем четырех спутников. Причем три из них отвечают за определение точного местоположения, а четвертый - за определение времени.
Пусть красная точка иллюстрирует движение человека по земной поверхности. В кармане у него сотовый телефон с установленным навигатором. Представим, что наш телефон попал в зону видимости первого спутника, а круг - это его зона видимости. Теперь нас нашел и второй спутник: пересечение сфер - это наше местоположение. Но для получения более точных данных понадобится еще и третий спутник. Местоположение пересечения трех кругов определит наши точные координаты. Четвертый же спутник с точными атомными часами нужен для исключения всех ошибок, ведь аппараты перемещаются, передавая свой сигнал от одной наземной станции другой. Понятно, что тут может быть много помех, препятствующих точному определению координат.
Принцип работы системы основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, расположение которых известно с большой точностью. "Космическая математика" в данном случае задействует вот это простое уравнение.
Таким образом, для определения икс нужно знать точные координаты спутников, от которых мы принимаем сигналы. А так как они постоянно перемещаются и их координаты меняются, это становится сложной задачей.
Большинство таких расчетов происходит в наземном комплексе управления. Такие комплексы просчитывают прогноз движения спутников. Эти спрогнозированные результаты орбит спутников называются эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутников наряду с обобщенными эфемеридами, называется альманахом.
Передатчики на спутниках в непрерывном движении передают сообщения о своем местоположении: эфемериды с метками времени и альманахом. Наши телефоны принимают такое навигационное сообщение и, опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, определяют собственные координаты.
Для того чтобы повысить точность определения координат, в ближайшие годы система ГЛОНАСС будет совершенствоваться. Планируется завершить работы по созданию космических аппаратов нового поколения ГЛОНАСС-К, ввести в строй новые наземные станции, доработать алгоритмы обработки сигнала наземными приемниками и ускорить внедрение и коммерциализацию продуктов и услуг на основе ГЛОНАСС.
Так как большая часть погрешности сигнала накапливается при его прохождении через атмосферу Земли, уже в следующем году планируется уточнить модель воздействия данного фактора для его учета в работе приемников. Эти меры вместе с завершением формирования наземного сегмента космического комплекса и отработкой межспутниковой радиолинии позволят существенно увеличить точность ГЛОНАСС для рядовых потребителей. Кроме того, намечен ряд мер для совершенствования системы высокоточной навигации (НСВП), которая критически важна для развития цифровой экономики и распространения робототехники и беспилотных систем.
Следующим этапом развития системы ГЛОНАСС станет увеличение группировки с нынешних 24 до 30 спутников.
