Спутниковая Связь от А до .. Спутниковая Навигация
В отличие от предыдущих материалов Рубрики Спутниковая Связь от А до .. у этого поста есть 2 отличия. Во первых, Навигация это не связь, но тем не менее так же важна для земной экономики. Во вторых, я слабо разбираюсь в этом вопросе, поэтому просто перепечатаю часть поста Филиппа ака lozga с его любезного разрешения . Это часть поста Филиппа только о спутниковой навигации, тему навигации для авиаполетов можно посмотреть в его посту https://lozga.livejournal.com/207066.html.
Спутник ГЛОНАСС-К в павильоне “Космос” ВДНХ
Начало космической эры вызвало интерес и ко спутниковой навигации. Сотрудники лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса Уильям Гайр и Джордж Вайфенбах, принимая сигналы первого спутника, обнаружили, что могут рассчитать его орбиту, измеряя доплеровский сдвиг его сигнала. Эффект Доплера - изменение частоты сигнала от движущегося источника - когда спутник приближался к лаборатории, она повышалась, когда удалялся - понижалась.
Зная орбиту спутника можно было решить обратную задачу - определить свое положение по доплеровскому сдвигу сигнала спутника. Так родилась навигационная система Transit. Первый спутник попытались вывести на орбиту в 1959 (неудачно), второй запустили в апреле 1960 и в том же году успешно провели первые тесты. Систему ввели в эксплуатацию в 1964.
Спутник Transit 5-А в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики США
Пять спутников в пяти плоскостях на полярных орбитах высотой 1100 км давали глобальное покрытие. Обычно в космосе находилось десять спутников, по одному запасному на каждую плоскость. Задача определения своего положения была нетривиальной, требовала большого количества математических расчетов и для большей точности требовала неподвижности носителя. Например, для американских подводных лодок пришлось разрабатывать специальный компьютер AN/UYK-1, герметизированный и выполненный в таком форм-факторе, чтобы его можно было протащить в люк.
Реклама компьютера от производителя
Поскольку орбита спутника со временем менялась, он передавал не только текущее время, но и элементы своей орбиты, которые дважды в день загружались со станций связи. Наземные станции около полюсов, зная свое положение, постоянно измеряли орбиты спутников и отправляли на них параметры орбит, которые затем использовались для решения обратной задачи у пользователей системы.
Но все сложности окупались приобретенными возможностями - подводная лодка выдвигала антенну всего на две минуты, ловила сигналы спутника и могла определить свое местоположение с точностью до 100 метров. Вскоре систему Transit сделали доступной для гражданского применения, и она не только помогла многим морякам, но и позволила решить довольно необычные задачи, так, например, усреднив множество измерений, была скорректирована высота горы Эверест.
В СССР была создана навигационно-связная система “Циклон” с гражданским вариантом “Цикада”, работавшие по аналогичному принципу и состоящие из 6 спутников. Transit прекратил работу в 1996, последний спутник системы “Циклон” отправился на орбиту в 2010.
Конечно же, Transit и аналоги не обошлись без недостатков - всего пять спутников означало, что в районе экватора появления спутника над горизонтом приходилось ждать несколько часов, в средних широтах ожидание уменьшалось до 1-2 часов. Да и точность в 100 метров быстро захотелось улучшить. Уже в 1973 году в США начали проект новой навигационной системы GPS, первый прототип которой отправился на орбиту в 1978 году. Новая система использовала модификацию уже известного вам подхода.
Помните гиперболическую навигацию? GPS и аналоги реализуют тот же самый принцип. Все спутники транслируют точное время и параметры своей орбиты. Из-за того, что скорость света конечна, метки времени приходят к пользователю не одновременно. У пользователя нет синхронизированных со спутниками атомных часов, поэтому он знает только разницу между показаниями, но этого достаточно. Сигнал от трех спутников позволяет построить в пространстве два гиперболоида, пересечение которых даст гиперболу, которая коснется поверхности земного шара в двух точках, одна будет правильным местоположением, а вторая - настолько неверным, что ее будет легко отбросить.
Иллюстрация Мюнхенского технического университета
Если добавить четвертый спутник, то три гиперболоида пересекутся в одной точке и позволят определить еще и высоту над поверхностью. А каждый дополнительный спутник даст новые гиперболоиды, которые будут повышать точность. 24 спутника в трех плоскостях обеспечивают круглосуточную доступность системы.
По аналогичному принципу работают и другие современные системы навигации: российская ГЛОНАСС, европейская Galileo. У китайской «Бэйдоу» тот же принцип, но спутники расположены на орбитах разной высоты. И самая драматическая история, без сомнения, у российской ГЛОНАСС.
Разработка системы была начата в 1976 году, и первый аппарат отправился на орбиту в 1982. Сначала запускали небольшие серии - 10, 9, 12 спутников, а с 1988 года началось полноценное развертывание группировки большой серией, в которой произвели 56 спутников.
"Новости Космонавтики", 1999, №2
Кстати, с Ураганами я познакомился в конце 80-х, когда работал в НПО Энергия, их выводили Протоны с помощью Блока Д, который как раз производился в Энергии и анализ его полета был в ведении начего отдела 346. Насколько помню один пуск Протона вытягивал по три Урагана..Причем в Газетах писали о выводе Космосов типа Космос-1987,1988,1989 , но у нас внутри все их называли Ураганами . А сейчас в ВИКИ пишут, что это были уже Глонассы (примечание VSATMAN888) ..
В начале 90-х 12 работающих спутников уже позволяли ограниченно использовать систему, а полное развертывание было закончено в 1995 году. Увы, в условиях экономических проблем группировка начала деградировать. Сравнительно небольшой срок жизни аппаратов и редкие запуски - после 1995 года было по одному пуску с тремя спутниками в 1998 и 2000 годах, привели к тому, что в 2001 году осталось всего 6 работоспособных аппаратов. Но с начала нулевых началось возрождение группировки. В 2003 году на орбиту отправился первый аппарат второго поколения, “ГЛОНАСС-М”, самым важным отличием которого стал увеличенный срок существования.
"ГЛОНАСС-М", фото Bin im Garten/wikimedia.org
Примененные технические решения оказались удачными, и сегодня самые старые из работающих спутники были запущены в 2007 году и превзошли гарантийный срок работы в два раза. Но сегодня перед созвездием стоит новый вызов. Изначально планировалось, что на смену второму поколению придет третье, “ГЛОНАСС-К”, которое перейдет на негерметичную платформу, обещающую еще большую долговечность. Но спутники использовали импортные компоненты, которые стали недоступны после осложнения политической ситуации в 2014 году. И в итоге было принято решение перейти на модифицированный тип, “ГЛОНАСС-К2”, использующий отечественные компоненты. Сейчас созвездие проходит драматичный этап, когда выбывающие из строя спутники второго поколения должны будут заменяться на уже произведенные и находящиеся на хранении, и параллельно развертывается производство новой модификации.
"ГЛОНАСС-К2", изображение USSR BOY/wikimedia.org
Пока что дела идут неплохо - запас “ГЛОНАСС-М” почти закончился - предпоследний аппарат отправится на орбиту в марте, последний по необходимости, скорее всего в этом году. “ГЛОНАСС-К” есть в запасе 9 штук, из которых один должен полететь в мае. А первый “-К2” может быть запущен уже в 2021 году.
Для гражданских пользователей даже худшие сценарии не несут никаких проблем - четыре глобальные навигационные системы означают, что навигаторы всегда будут видеть спутники и иметь возможность определять свое положение. И не только, навигационные системы могут помогать в самых разных случаях. В Европе с 2018 и РФ с 2015 для новых автомобилей обязательна установка системы, распознающей аварию и автоматически передающей вызов в экстренные службы - eCall и ЭРА-ГЛОНАСС.
Обе системы совместимы и работают по одному принципу: датчики в автомобиле фиксируют факт аварии - раскрытие подушек безопасности, деформацию кузова и т.п., определяют степень аварии и координаты происшествия по спутниковым навигационным системам и отправляют сообщение в службы спасения через сети сотовой связи. По информации на конец 2019 года в России уже больше 4,6 миллионов автомобилей оснащены "ЭРА-ГЛОНАСС", за год зафиксировано примерно 36 тысяч вызовов, из них 17 тысяч в автоматическом режиме. По подсчетам специалистов система спасает в год 3-4 тысячи человек.
Еще раз спасибо Филиппу за подготовку этого материала ...
Спутник ГЛОНАСС-К в павильоне “Космос” ВДНХ
Начало космической эры вызвало интерес и ко спутниковой навигации. Сотрудники лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса Уильям Гайр и Джордж Вайфенбах, принимая сигналы первого спутника, обнаружили, что могут рассчитать его орбиту, измеряя доплеровский сдвиг его сигнала. Эффект Доплера - изменение частоты сигнала от движущегося источника - когда спутник приближался к лаборатории, она повышалась, когда удалялся - понижалась.
Зная орбиту спутника можно было решить обратную задачу - определить свое положение по доплеровскому сдвигу сигнала спутника. Так родилась навигационная система Transit. Первый спутник попытались вывести на орбиту в 1959 (неудачно), второй запустили в апреле 1960 и в том же году успешно провели первые тесты. Систему ввели в эксплуатацию в 1964.
Спутник Transit 5-А в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики США
Пять спутников в пяти плоскостях на полярных орбитах высотой 1100 км давали глобальное покрытие. Обычно в космосе находилось десять спутников, по одному запасному на каждую плоскость. Задача определения своего положения была нетривиальной, требовала большого количества математических расчетов и для большей точности требовала неподвижности носителя. Например, для американских подводных лодок пришлось разрабатывать специальный компьютер AN/UYK-1, герметизированный и выполненный в таком форм-факторе, чтобы его можно было протащить в люк.
Реклама компьютера от производителя
Поскольку орбита спутника со временем менялась, он передавал не только текущее время, но и элементы своей орбиты, которые дважды в день загружались со станций связи. Наземные станции около полюсов, зная свое положение, постоянно измеряли орбиты спутников и отправляли на них параметры орбит, которые затем использовались для решения обратной задачи у пользователей системы.
Но все сложности окупались приобретенными возможностями - подводная лодка выдвигала антенну всего на две минуты, ловила сигналы спутника и могла определить свое местоположение с точностью до 100 метров. Вскоре систему Transit сделали доступной для гражданского применения, и она не только помогла многим морякам, но и позволила решить довольно необычные задачи, так, например, усреднив множество измерений, была скорректирована высота горы Эверест.
В СССР была создана навигационно-связная система “Циклон” с гражданским вариантом “Цикада”, работавшие по аналогичному принципу и состоящие из 6 спутников. Transit прекратил работу в 1996, последний спутник системы “Циклон” отправился на орбиту в 2010.
Конечно же, Transit и аналоги не обошлись без недостатков - всего пять спутников означало, что в районе экватора появления спутника над горизонтом приходилось ждать несколько часов, в средних широтах ожидание уменьшалось до 1-2 часов. Да и точность в 100 метров быстро захотелось улучшить. Уже в 1973 году в США начали проект новой навигационной системы GPS, первый прототип которой отправился на орбиту в 1978 году. Новая система использовала модификацию уже известного вам подхода.
Помните гиперболическую навигацию? GPS и аналоги реализуют тот же самый принцип. Все спутники транслируют точное время и параметры своей орбиты. Из-за того, что скорость света конечна, метки времени приходят к пользователю не одновременно. У пользователя нет синхронизированных со спутниками атомных часов, поэтому он знает только разницу между показаниями, но этого достаточно. Сигнал от трех спутников позволяет построить в пространстве два гиперболоида, пересечение которых даст гиперболу, которая коснется поверхности земного шара в двух точках, одна будет правильным местоположением, а вторая - настолько неверным, что ее будет легко отбросить.
Иллюстрация Мюнхенского технического университета
Если добавить четвертый спутник, то три гиперболоида пересекутся в одной точке и позволят определить еще и высоту над поверхностью. А каждый дополнительный спутник даст новые гиперболоиды, которые будут повышать точность. 24 спутника в трех плоскостях обеспечивают круглосуточную доступность системы.
По аналогичному принципу работают и другие современные системы навигации: российская ГЛОНАСС, европейская Galileo. У китайской «Бэйдоу» тот же принцип, но спутники расположены на орбитах разной высоты. И самая драматическая история, без сомнения, у российской ГЛОНАСС.
Разработка системы была начата в 1976 году, и первый аппарат отправился на орбиту в 1982. Сначала запускали небольшие серии - 10, 9, 12 спутников, а с 1988 года началось полноценное развертывание группировки большой серией, в которой произвели 56 спутников.
"Новости Космонавтики", 1999, №2
Кстати, с Ураганами я познакомился в конце 80-х, когда работал в НПО Энергия, их выводили Протоны с помощью Блока Д, который как раз производился в Энергии и анализ его полета был в ведении начего отдела 346. Насколько помню один пуск Протона вытягивал по три Урагана..Причем в Газетах писали о выводе Космосов типа Космос-1987,1988,1989 , но у нас внутри все их называли Ураганами . А сейчас в ВИКИ пишут, что это были уже Глонассы (примечание VSATMAN888) ..
В начале 90-х 12 работающих спутников уже позволяли ограниченно использовать систему, а полное развертывание было закончено в 1995 году. Увы, в условиях экономических проблем группировка начала деградировать. Сравнительно небольшой срок жизни аппаратов и редкие запуски - после 1995 года было по одному пуску с тремя спутниками в 1998 и 2000 годах, привели к тому, что в 2001 году осталось всего 6 работоспособных аппаратов. Но с начала нулевых началось возрождение группировки. В 2003 году на орбиту отправился первый аппарат второго поколения, “ГЛОНАСС-М”, самым важным отличием которого стал увеличенный срок существования.
"ГЛОНАСС-М", фото Bin im Garten/wikimedia.org
Примененные технические решения оказались удачными, и сегодня самые старые из работающих спутники были запущены в 2007 году и превзошли гарантийный срок работы в два раза. Но сегодня перед созвездием стоит новый вызов. Изначально планировалось, что на смену второму поколению придет третье, “ГЛОНАСС-К”, которое перейдет на негерметичную платформу, обещающую еще большую долговечность. Но спутники использовали импортные компоненты, которые стали недоступны после осложнения политической ситуации в 2014 году. И в итоге было принято решение перейти на модифицированный тип, “ГЛОНАСС-К2”, использующий отечественные компоненты. Сейчас созвездие проходит драматичный этап, когда выбывающие из строя спутники второго поколения должны будут заменяться на уже произведенные и находящиеся на хранении, и параллельно развертывается производство новой модификации.
"ГЛОНАСС-К2", изображение USSR BOY/wikimedia.org
Пока что дела идут неплохо - запас “ГЛОНАСС-М” почти закончился - предпоследний аппарат отправится на орбиту в марте, последний по необходимости, скорее всего в этом году. “ГЛОНАСС-К” есть в запасе 9 штук, из которых один должен полететь в мае. А первый “-К2” может быть запущен уже в 2021 году.
Для гражданских пользователей даже худшие сценарии не несут никаких проблем - четыре глобальные навигационные системы означают, что навигаторы всегда будут видеть спутники и иметь возможность определять свое положение. И не только, навигационные системы могут помогать в самых разных случаях. В Европе с 2018 и РФ с 2015 для новых автомобилей обязательна установка системы, распознающей аварию и автоматически передающей вызов в экстренные службы - eCall и ЭРА-ГЛОНАСС.
Обе системы совместимы и работают по одному принципу: датчики в автомобиле фиксируют факт аварии - раскрытие подушек безопасности, деформацию кузова и т.п., определяют степень аварии и координаты происшествия по спутниковым навигационным системам и отправляют сообщение в службы спасения через сети сотовой связи. По информации на конец 2019 года в России уже больше 4,6 миллионов автомобилей оснащены "ЭРА-ГЛОНАСС", за год зафиксировано примерно 36 тысяч вызовов, из них 17 тысяч в автоматическом режиме. По подсчетам специалистов система спасает в год 3-4 тысячи человек.
Еще раз спасибо Филиппу за подготовку этого материала ...