Спутниковые системы навигации: GPS и семь его аналогов, принципы работы, применение в мире, преимущества и недостатки

Наверняка вы согласитесь с редакцией https://lindeal.com, что современный мир сложно представить без удобных и уже незаменимых систем навигации. С их помощью мы можем выстроить маршрут в любую точку мира, имея под рукой один лишь смартфон, отследить, где находится ребенок или гуляет питомец. Без навигационных ресурсов не смогут прокладывать маршруты автономные электрокары, бытовые дроны и серьезное военное оборудование. Многие из нас привыкли к GPS, однако у американской разработки есть целых шесть аналогов, каждый со своими особенностями и преимуществами — обо всех них мы и поговорим далее!

Спутниковая система навигации: что это такое?

Разговор о навигационных системах стоит начать с основы основ — разобраться в сути этого понятия. GNSS (ГНСС) — Global Navigation Satellite System (Глобальная спутниковая система навигации). Как утверждает «Википедия», таковым субъектом может считаться система, которая была разработана для определения координат наземных, водных и воздушных объектов и местоположения низкоорбитальных КА (космических аппаратов). Мы получаем, что спутниковая система навигации — электронно-техническая комплексная система, состоящая из совокупности космического и наземного оборудования для определения местоположения и параметров движения для наземных, воздушных и водных объектов.

Составляющие Global Navigation Satellite System

Любая система навигации состоит из нескольких незаменимых элементов:

1. Спутниковое (орбитальное) оборудование. Спецустановка, излучающая специальные сигналы радиосвязи.
2. Наземная управляющая система. Контрольный пункт, где измеряется текущее расположение навигационных спутников. Также данный сегмент отправляет на орбитальную установку данные для корректировки расчетов по орбите.
3. Устройства потребителей систем навигации. Спутниковые приемники, которые могут выступать как отдельными устройствами, так и встроенными в другие гаджеты элементами.

Разработчики той или иной навигационной системы могут дополнительно задействовать наземные радиомаяки для повышения точности нахождения местоположения и информационные радиосистемы, в режиме «онлайн» передающие пользователям самые свежие корректировки с той же целью.

Принцип работы навигационных систем

Как GPS определяет местоположение того или иного объекта? Принцип функционирования подобных систем зиждется на высокоточных измерениях расстояния от объекта с приемником сигнала до космического спутника. Достаточно знать расстояние всего до нескольких орбитальных станций, чтобы путем несложных геометрических вычислений найти, где именно данный объект находится в пространстве.

Благодаря упомянутому принципу, помимо местоположения конкретных объектов, современные GNSS позволяют определить направление движения и скорость человека или транспорта, в котором установлен приемник сигнала. Также с помощью Global Navigation Satellite System определяется точное время в разных точках земного шара. Без современных спутниковых систем невозможны геодезия и картография, сотовая связь и геотегинг, спутниковый мониторинг транспорта и изучение тектоники плит земной коры.

Семь применений глобальных навигационных систем

ГНСС используются в следующих целях:

1. Навигация: спутниковые системы позволяют построить маршрут, определить местоположение с высокой точностью — как на суше, так и на море.
2. Геодезия: спутники помогают составлять самые точные карты.
3. Мониторинг транспортных средств: спутниковый контроль позволяет логистическим фирмам отслеживать не только местоположение, но и маршруты, скорость своих ТС.
4. Экстренная помощь: служба 911 в Соединенных Штатах автоматически определяет местоположение звонящего в случае, если у него телефон с GPS-датчиком.
5. Геотектоника: контроль за колебаниями и движением литосферы.
6. Геотеги: возможность привязать фотографии, видео, публикации к конкретным локациям в социальных сетях и на других интернет-ресурсах.
7. Гейм-продукты, геокэшинг. Возможности спутниковых систем навигации используются и в игровой сфере: в приложениях и офлайн-играх участники ищут по заданным координатам определенные локации, чтобы первыми найти там приз.

С каждым годом растет зависимость от глобальных навигационных систем и мирового автопрома, особенно после внедрения дронов и машин с автопилотом.

Семь GNSS разных стран мира

На сегодня известно семь ГНСС:

• американская GPS;
• российская ГЛОНАСС;
• китайская Beidou;
• европейская Galileo;
• японская QZSS;
• индийская IRNSS;
• французская DORIS.

При всем этом полное покрытие всей планеты вкупе с бесперебойным функционированием пока могут обеспечить только три из них — GPS, ГЛОНАСС, Beidou.

Системы навигации мира: GPS и аналоги

Многие ошибочно считают «джи-пи-эс» глобальной навигационной спутниковой системой вообще. Однако она является только самой популярной в полном списке.

GPS (США)

• покрытие: глобальное
• дата старта: 1978
• число спутников: 32
• точность: до 7,8 м

GPS (джи-пи-эс) — Global Positioning System (Система Глобального Позиционирования). Также известна как NAVSTAR (на ранних этапах внедрения) и ГПС — глобальная позиционирующая система, способная определить локацию объекта, измерить расстояние и время. Разработчиком выступает Министерство обороны США, однако продукт используется в гражданских целях по всему миру — практически у каждого есть смартфон с GPS-датчиком. Большой плюс в том, что он позволяет со впечатляющей точностью найти локацию приемника в любой точке Земли. Исключением служат только приполярные зоны и околоземная орбита.

ГЛОНАСС (Россия)

• покрытие: глобальное
• дата старта: 1982
• число спутников: 26
• точность: до 2,5 м

ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система. Российская разработка, оператором которой выступает Роскосмос, — предполагается как гражданское, так и военное использование. ГЛОНАСС способна транслировать сигналы, доступные в любом уголке земного шара: на данный момент она предоставляет навигационные услуги бесплатно, без ограничений всем гражданским лицам. Для специального применения может быть открыт высокоточный шифрованный сигнал.

Большой плюс перед привычным ГПС в том, что ГЛОНАССовские спутники не синхронизируются в орбитальном движении с вращением планеты, что делает их более стабильными, нежели американские. Поэтому космические компоненты ГЛОНАСС продолжительное время своего использования могут работать без корректировок.

Beidou (Китай)

• покрытие: глобальное
• дата старта: 2000
• число спутников: 40
• точность: до 10 м

Китайская спутниковая навигационная система «Бэйдоу» («Северный Ковш» — созвездие Большой Медведицы) вышла на полную мощность совсем недавно, в 2020 году. В основе проекта — геосинхронные и геостационарные спутники на средней орбите. Beidou развивается синхронно с ГЛОНАСС — операторы систем договорились о взаимном обмене технологий. Сегодня навигационный проект родом из КНР — самый быстрорастущий в мире: его предполагают использовать для прогнозирования стихийных бедствий, беспилотной с/х техники, дронов-доставщиков, навигации поездов, автомобилей, самолетов, а также для препятствования совершению экологических правонарушений.

Galileo (ЕС)

• покрытие: глобальное
• дата старта: 2011
• число спутников: 23
• точность: до 1 м

«Галилео» — спутниковая навигационная система, ставшая совместным проектом ЕС и Европейского космического агентства. Также участниками выступают КНР, Южная Корея, Израиль и Украина. Galileo позволяет решать как навигационные, так и спутниковые задачи, а ее зашифрованный сигнал определяет локацию с точностью до 1 см! В отличие от американских, китайских и российских ГНСС это не национальный, а общеевропейский проект.

QZSS (Япония)

• покрытие: Япония, Австралия, Новая Зеландия
• дата старта: 2006 
• число спутников: 1

Quasi-Zenith Satellite System — «Квазизенитная спутниковая система» дифференциальной коррекции. Предполагает ограниченную точность и пока что не способна работать автономно. Главная цель проекта — использование в приложениях для смартфонов, предоставление услуг связи, мобильная картография для туристов и общественного транспорта.

IRNSS (Индия)

• покрытие: Индия, Пакистан, Афганистан
• дата старта: 2013
• число спутников: 8
• точность: до 10 м

Indian Regional Navigation Satellite System — национальный навигационный проект, разрабатываемый Индийской организацией космо-исследований. Направлен на удовлетворение потребностей граждан только своей страны. NAVIC (название, данное после запуска) используется для наземной, морской и воздушной навигации, геодезии и картографии, логистики и туризма, для смартфонов и определения точного времени.

DORIS (Франция)

Détermination d'Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite — французская гражданская навигационная система супер-точного (сантиметрового) определения локации. Разработана на основе эффекта Допплера, первоначально предназначалась для геофизических и геодезических целей — это наблюдение за океанами и сдвигом тектонических плит. Отличается тем, что на Земле установлены передатчики, а на спутниках — приемники сигнала.

Какие системы навигации уже не действуют?

Спутниковые навигационные системы, что уже стали историческими:

• «Транзит» (США, 1960-1996): первая на земле Navigation Satellite System.
• «Парус» (СССР, 1976): низкоорбитальная космическая навигационная система (КНС), один из советских спутников военного назначения.
• «Цикада» (СССР-РФ, 1976-2008): низкоорбитальная КНС гражданского назначения, российский аналог американской Transit.
• «Циклон» (СССР-РФ, 1976-2010): первая советская спутниковая навигационная система.

Что лучше в 2023 году: GPS или ГЛОНАСС?

Спутники российской навигационной системы ГЛОНАСС движутся в трех орбитальных плоскостях — по 8 КА на каждой орбите. При этом устройства GPS перемещаются по четырем орбитам — по 8 спутников в каждой плоскости. Американская система более точная, но и ГЛОНАСС не дает больших погрешностей. Добавим, что российская система способна бесперебойно работать без необходимости корректировки. Для пользователей же главное различие в том, что GPS покрывает всю поверхность нашей планеты, а ГЛОНАСС более заточен под РФ. За пределами России есть немало участков, где сигнал от спутников или очень слабый, или вовсе отсутствует.

Global Positioning System активно работает с 1993 года, в то время Глобальная навигационная Спутниковая Система приступила к активной работе только в 2009. Отметим такую особенность, что спутники ГЛОНАСС наблюдаются на асинхронных орбитах, по 8 аппаратов в трех плоскостях, а то время как у GPS по 8 спутников на четырех геостационарных орбитах. Простыми словами, они неподвижно висят над определенными точками поверхности планеты. 

Такая система позволяет ГЛОНАСС отлично работать во всех широтах, в то время как «джи-пи-эс» может некорректно функционировать в полярных зонах. Однако американский разработчик обещает в скором времени решить эту проблему выведением на орбиту 24 дополнительных спутников.

Но при этом ПО GPS гораздо проще найти в свободном доступе. Трекеры и навигаторы, использующие Global Positioning System, доступны, продаются по приемлемой цене. Также удобной навигационной системой по умолчанию оснащены смартфоны и другие гаджеты известных производителей. «Джи-пи-эс» отлично дружит со многими гео-программами и приложениями, работает в любую погоду. ГЛОНАСС здесь уступает тем, что программное обеспечение с его участием пока представлено на рынке в ограниченном количестве.

Важно помнить, что в основе обоих систем один и тот же принцип действия — анализ спектрального смещения сигнала по эффекту Доплера. Обоим разработкам для нахождения объекта на поверхности Земли нужно, чтобы он был оснащен приемником сигнала. Без этого спутник не заметит нужный предмет ни в американской, ни в российской системе. 

Команда бизнес-журнала https://lindeal.com выделяет, что GPS остается самой популярной глобальной навигационной системой — именно ее поддерживает львиная доля наших гаджетов. Однако «джи-пи-эс» принадлежит Министерству обороны Штатов, что многие считают большим недостатком ГПС. На втором месте по популярности российский ГЛОНАСС, имеющий ту же специфику — система принадлежит Министерству обороны РФ. У данных ГНСС в 2020 появился серьезный соперник — китайская Global Navigation Satellite System «Бэйдоу». Менее популярными являются региональные разработки Galileo, DORIS, IRNSS, QZSS.