vsatman888 (vsatman888) wrote,
vsatman888
vsatman888

Categories:

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 ...

Tags: Россия, космос, ликбез, навигация
Subscribe

Posts from This Journal “ликбез” Tag

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 10 comments