В мире существуют несколько глобальных систем спутниковой навигации, которые гармонично дополняют друг друга: американская GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская Beidou. Устроены глобальные навигационные системы по одному схожему принципу. Они объединяют комплексы наземного и космического оборудования для позиционирования в пространстве и времени, на основании чего осуществляется определение местоположения, скорости, направления и других параметров движения объекта.

1. Базовые принципы работы

Принцип работы систем навигации завязан на измерении расстояния от спутников на орбите, местонахождение которых достоверно известно с большой точностью, до антенны принимающего устройства. Каждый спутник излучает сигналы точного времени, используя атомные часы, синхронизированные с системным временем. В ходе приема сигнала от орбитальных спутников исчисляется задержка между временем излучения сигнала и временем его приема антенной оконечного устройства. По данной информации приемник вычисляет координаты антенны. Перемещения объекта вычисляются на основе измерения времени, затрачиваемого на передвижение между двумя или более точками с определенными по предварительным вычислениям координатами.

Точное позиционирование в пространстве обеспечивается при условии получения сигнала хотя бы от трех спутников в одночасье.

Для точного позиционирования в пространстве антенна приемника должна получать сигнал хотя бы от трех спутников в одночасье, а лучше — от четырех. Трио спутников передают данные о своем местоположении относительно Земли и друг друга, четвертый — фиксирует время прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Поскольку спутники все время находятся в движении, их траекторию отслеживают наземные станции. Актуальная информация отправляется на гаджеты в альманахах — библиотеках с самыми точными сведениями о местоположении всех доступных спутников. Обновляются альманахи через мобильные сети или по Wi-Fi, что в разы сокращает длительность «холодного старта» систем навигации.

Изначально спутниковые системы навигации были военными разработками. Под контролем военных ведомств многие из них остаются и поныне. Первой общедоступной навигационной системой стала американская GPS. Собственно, слова «навигация» и «GPS» долго воспринимались как синонимы.

2. GPS

Разработкой проекта NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) занялось Министерство обороны США в 70-х годах прошлого столетия. Первый спутник системы запустили на орбиту в 1974 году, а за последующие 20 лет в космос вывели все необходимое количество спутников для корректной работы системы (24 шт.). Навигационную систему GPS (The Global Positioning System) открыли для гражданских нужд, однако во избежание ее военного применения противниками точность системы принудительно уменьшили специальными алгоритмами примерно до 100 м. Большую часть ограничений сняли только к началу третьего тысячелетия. Система навигации GPS состоит из 32 спутников, которые обращаются вокруг Земли по круговым орбитам в шести разных плоскостях. Все спутники расположены на орбите суточной кратности — 20200 км над уровнем моря. Как результат, в любой точке планеты всегда наблюдается не менее четырех спутников в любой момент времени (обычно одновременно видно от 4 до 12 спутников). Каждые 30 секунд спутник передает радиосигналы на частоте 1575.42 МГц, в которых содержатся сведения о положении спутника в пространстве, информация о качестве сигнала, погрешность спутниковых часов и коэффициенты модели ионосферы.

Спутники системы GPS обращаются вокруг планеты в шести разных плоскостях
на орбите суточной кратности — 20200 км над уровнем моря.

Повысить точность определения координат призваны наземные станции, которые передают поправки для дифференциального режима: WAAS на территории США и Канады, EGNOS — в европейских странах. Стандартные приемники фиксируют местоположение с точностью в несколько метров, новейшие имеют точность до нескольких сантиметров.

Ранние версии GPS имели долгое время так называемого «холодного старта». Это обуславливалось необходимостью передачи на приемное устройство альманаха (астрономического календаря) и целого вороха сопутствующих корректировок. Проблему решила вспомогательная система aGPS (Assisted GPS). Устройства с ней могут получать служебную информацию от ближайшей базовой станции оператора сотовой связи, что избавляет гаджеты от необходимости поддержания прямой связи со спутниками и в несколько раз уменьшает время запуска навигации (буквально за несколько секунд).

Наглядный принцип, как устроена технология aGPS.
Популярные смарт-часы с aGPS

3. Dual GPS

Для повышения точности определения местоположения в современных модулях навигации встречается технология Dual GPS. Приемники с ее поддержкой работают не на одной частоте, как традиционные аналоги, а на двух (L1 + L5 — 1575 МГц + 1176 МГц). Подобный формат заметно повышает точность позиционирования — в отдельных случаях до 10 – 20 см. Dual GPS позволяет корректно обрабатывать сигналы, отраженные от высотных зданий в условиях плотной городской застройки. К тому же диапазон L5 имеет высокую пропускную способность и скорость передачи, поэтому количество шума и помех значительно сокращается.

Технология Dual GPS позволяет существенно нарастить точность определения местоположения, особенно в условиях плотной городской застройки.

Отметим, что полноценная поддержка L5 имеется в европейской системе Galileo и японской QZSS (подробнее о них рассказано ниже). В GPS такое вещание осуществляет лишь половина спутников, а в системе ГЛОНАСС оно ожидается и вовсе не раньше 2030 года.

Популярные телефоны с Dual GPS

4. ГЛОНАСС

Российскую радионавигационную спутниковую систему ГЛОНАСС начали разрабатывать еще при СССР в 1970-х годах. Летные испытания системы стартовали в 1982 году с запуском на орбиту первого спутника. Полную группировку из 24 спутников удалось развернуть ближе к 1995 году. Однако из-за проблем с финансированием и коротким эксплуатационным ресурсом космических аппаратов уже к 2001 году число работающих спутников сократилось до шести. Ситуацию удалось переломить в середине «нулевых», а о завершении создания системы навигации ГЛОНАСС объявили под занавес 2015 года. Ее основой являются 24 активных спутника, которые вращаются на средней высоте 19100 км над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях. По каждой орбите движутся 8 равномерно распределенных спутников. Также в системе ГЛОНАСС предусмотрены резервные космические аппараты.

Целостная группировка спутников ГЛОНАСС сформирована из 24 активных космических аппаратов.

Спутники системы передают радиоизлучения двух типов: навигационный сигнал диапазона L1 и навигационный сигнал высокой точности в диапазонах L2 и L3. Погрешности при определении местоположения составляют порядка 3-6 м, а с корректировками — до 1 м. Важной особенностью ГЛОНАСС является возможность применения навигационной системы на высоких широтах в северных и южных полярных регионах, где сигнал GPS ловит плохо.

5. Galileo

Galileo — европейская спутниковая система навигации, созданная в качестве альтернативы американской GPS и российской ГЛОНАСС. Примечательно, что она находится под контролем гражданских ведомств. При полной флотилии из 24 активных спутников система дает точность до 1 м в публичном режиме и до 20 см с сервисом GHA. Всего же на орбите находятся 30 спутников системы Galileo (6 космических аппаратов пребывают в горячем резерве).

Орбиты спутников европейской навигационной системы Galileo.

Спутники Galileo вращаются в трех орбитальных плоскостях на высоте 23222 км над поверхностью планеты. На каждой из орбит при полном развертывании системы находится по 8 действующих и 2 резервных спутника. Эта конфигурация группировки обеспечивает одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырех аппаратов. В перспективе спутники системы Galileo смогут передавать сигналы тревоги пользователей в региональные спасательно-координационные центры. При этом будет предусмотрена обратная связь — подтверждение получения уведомлений о тревожных ситуациях.

Интересный факт. Функцию спутниковой связи для отправки экстренных сообщений спасательным службам в местах с отсутствием покрытия традиционной сотовой связи внедрили во всю линейку 14-х «Айфонов» от Apple и последующие модели.

6. Beidou

В 2020 году создание глобального покрытия завершилось для китайской навигационной системы Beidou. Ее спутниковая флотилия насчитывает 48 космических аппаратов, в работе находятся 35 спутников. Размещаются спутники на трех орбитах: средней круговой, геостационарной, геосинхронной наклонной высокой.

Стенд с визуализацией принципов строения глобальной навигационной спутниковой системы Beidou.

Стремление Поднебесной к созданию собственной спутниковой навигационной системы обусловлено желанием обрести независимость от США и ее системы GPS. Точность позиционирования Beidou для гражданского населения составляет менее 10 метров, а точность измерения скорости достигает порядка 0.2 метра в секунду.

7. Другие региональные системы

Отдельные страны развивают собственные системы навигации. На глобальный уровень они пока лишь выходят, однако в качестве региональных навигационных систем уже вовсю работают IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) в Индии, а также QZSS (Quazi-Zenith Satellite System) в Японии и странах Азиатско-Тихоокеанского региона.

8. GNSS

GNSS — это аббревиатура от Global Navigation Satellite System (Глобальная спутниковая система навигации). Приемники Multi-GNSS могут получать сигналы, передаваемые несколькими навигационными системами в одночасье: GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou, QZSS, IRNSS. Тем самым существенно повышается точность позиционирования за счет приема большего количества сигналов от спутников.

Фактически под термином GNSS подразумевается совокупность всех глобальных навигационных систем геопозиционирования. И хотя каждая из них использует свои кодировки для передачи сигналов, приемники GNSS осуществляют верную интерпретацию полученной информации в рамках одного устройства.

9. Спутниковая связь в смартфонах Apple

Отдельно стоит упомянуть спутниковую связь в смартфонах Apple. Она служит для экстренной отправки сообщений спасательным службам вне зоны покрытия мобильной сети. В качестве навигационной системы такая связь не применяется. «Айфоны» (от 14-й модели и новее) умеют подавать сигналы бедствия в местную службу экстренной помощи. При этом самостоятельно писать сообщения не получиться — в смартфон изначально зашиты шаблоны готовых обращений. Аппарат ловит связь со спутником на открытой местности. В какую сторону направить смартфон для лучшего приема сигнала — он подскажет сам. После установления связи телефон отправляет в службу спасения геолокацию, некоторые персональные данные (из медкарты в приложении «Здоровье»), а также уровень заряда iPhone.

При запуске системы экстренной спутниковой связи iPhone сам подсказывает,
куда необходимо повернуться в пространстве для уверенного приема сигнала.

Первоначально поддержку спутниковой связи внедрили только в США и Канаде. Впрочем, уже сейчас она доступна почти по всему миру. Не работает опция лишь на устройствах, которые приобретены в Армении, беларуси, Гонконге, Казахстане, Китае, Кыргызстане, Макао и россии. Для работы системы экстренной связи Apple развернула флотилию из 17-ти низкоорбитальных космических аппаратов, которые были запущены спутниковым оператором GlobalStar. Под занавес 2024 года компания Apple внедрила полноценную поддержку обмена сообщениями через космическую связь (для этого понадобится iPhone с iOS 18) и инвестировала на запуск новых спутников свыше $1 млрд. С наращиванием численности эскадры вполне возможно появление других функций, например, звонков или доступа к интернету с любого уголка земного шара. Загадывать пока рано, однако наверняка подобные услуги будут стоить недешево.

Популярные смартфоны со спутниковой связью

10. Вывод

Работая совместно друг с другом в единой синергии, разные навигационные системы обеспечивает более точное измерение местоположения, особенно в густонаселенных районах и больших мегаполисах, где сигнал многократно отражается от высоких сооружений. Современные гаджеты зачастую поддерживают работу со всеми известными спутниковыми системами, благодаря чему навигация становится точнее буквально день ото дня.