супутникові системи навігації: GPS і сім його аналогів, принципи роботи, застосування в світі, переваги і недоліки

Напевно ви погодитеся з Редакцією https://worldbank.org.ua, що сучасний світ складно уявити без зручних і вже незамінних систем навігації. З їх допомогою ми можемо вибудувати маршрут в будь-яку точку світу, маючи під рукою один лише смартфон, відстежити, де знаходиться дитина або гуляє вихованець. Без навігаційних ресурсів не зможуть прокладати маршрути автономні електрокари, побутові дрони і серйозне військове обладнання. Багато з нас звикли до GPS , однак у американської розробки є цілих шість аналогів, кожен зі своїми особливостями і перевагами-про всі них ми і поговоримо далі!

Супутникова система навігації: що це таке?

Розмова про навігаційні системи варто почати з основи основ — розібратися в суті цього поняття. GNSS (ГНСС) — Global Navigation Satellite System (Глобальна супутникова система навігації). Як стверджує «Вікіпедія», таким суб'єктом може вважатися система, яка була розроблена для визначення координат наземних, водних і повітряних об'єктів і місця розташування низькоорбітальних КА (космічних апаратів). Ми отримуємо, що супутникова система навігації-електронно-Технічна комплексна система, що складається з сукупності космічного і наземного обладнання для визначення місця розташування і параметрів руху для наземних, повітряних і водних об'єктів.

Складові Global Navigation Satellite System

Будь-яка Система навігації складається з декількох незамінних елементів:

1. Супутникове (орбітальне) обладнання. Спецустановка, що випромінює спеціальні сигнали радіозв'язку.
2. Наземна система управління. Контрольний пункт, де вимірюється поточне розташування навігаційних супутників. Також даний сегмент відправляє на орбітальну установку дані для коригування розрахунків по орбіті.
3. Пристрої споживачів систем навігації. Супутникові приймачі, які можуть виступати як окремими пристроями, так і вбудованими в інші гаджети елементами.

Розробники тієї чи іншої навігаційної системи можуть додатково задіяти наземні радіомаяки для підвищення точності знаходження місця розташування та інформаційні радіосистеми, в режимі «онлайн» передають користувачам найсвіжіші коригування з тією ж метою.

Принцип роботи навігаційних систем

Як GPS визначає місце розташування того чи іншого об'єкта? Принцип функціонування подібних систем грунтується на високоточних вимірах відстані від об'єкта з приймачем сигналу до космічного супутника. Досить знати відстань всього до декількох орбітальних станцій, щоб шляхом нескладних геометричних обчислень знайти, де саме даний об'єкт знаходиться в просторі.

Завдяки згаданому принципу, крім розташування конкретних об'єктів, Сучасні GNSS дозволяють визначити напрямок руху і швидкість людини або транспорту, в якому встановлений приймач сигналу. Також за допомогою Global Navigation Satellite System визначається точний час в різних точках земної кулі. Без сучасних супутникових систем неможливі геодезія і картографія, стільниковий зв'язок і геотегінг, супутниковий моніторинг транспорту і вивчення тектоніки плит земної кори.

Сім застосувань глобальних навігаційних систем

ГНСС використовуються в наступних цілях:

1. Навігація: супутникові системи дозволяють побудувати маршрут, визначити місце розташування з високою точністю-як на суші, так і на морі.
2. Геодезія: супутники допомагають складати найточніші карти.
3. Моніторинг транспортних засобів: супутниковий контроль дозволяє логістичним фірмам відстежувати не тільки місце розташування, а й маршрути, швидкість своїх ТЗ.
4. Екстрена допомога: служба 911 в Сполучених Штатах автоматично визначає місце розташування абонента в разі, якщо у нього телефон з GPS-датчиком.
5. Геотектоніка: контроль коливань і руху літосфери.
6. Геотеги: можливість прив'язати фотографії, відео, публікації до конкретних локаціях в соціальних мережах і на інших Інтернет - ресурсах.
7. Гейм-продукти, геокешинг. Можливості супутникових систем навігації використовуються і в ігровій сфері: в додатках і офлайн-іграх учасники шукають за заданими координатами певні локації, щоб першими знайти там приз.

З кожним роком зростає залежність від глобальних навігаційних систем і світового автопрому, особливо після впровадження дронів і машин з автопілотом.

Сім GNSS різних країн світу

На сьогодні відомо сім ГНСС:

• Американський GPS;
• Російська ГЛОНАСС;
• Китайська Beidou;
• Європейська Galileo;
• Японська QZSS;
• Індійська IRNSS;
• Французька DORIS.

При всьому цьому повне покриття всієї планети укупі з безперебійним функціонуванням поки можуть забезпечити тільки три з них — GPS, ГЛОНАСС, Beidou.

Навігаційні системи світу: GPS та аналоги

Багато хто помилково вважає «ДЖІ-ПІ-ЕС» глобальною навігаційною супутниковою системою взагалі. Однак вона є тільки найпопулярнішою в повному списку.

GPS ( США )

• Покриття: глобальне
• Дата старту: 1978
• Число супутників: 32
• Точність: до 7,8 м

GPS (ДЖІ-ПІ-ЕС) - Global Positioning System (система Глобального позиціонування). Також відома як NAVSTAR (на ранніх етапах впровадження) і ГПС — Глобальна позиціонує система, здатна визначити локацію об'єкта, виміряти відстань і час. Розробником виступає Міністерство оборони США, проте продукт використовується в цивільних цілях по всьому світу — практично у кожного є смартфон з GPS-датчиком. Великий плюс в тому, що він дозволяє з вражаючою точністю знайти локацію приймача в будь-якій точці Землі. Винятком служать тільки приполярні зони і навколоземна орбіта.

ГЛОНАСС ( Росія )

• Покриття: глобальне
• Дата старту: 1982
• Число супутників: 26
• Точність: до 2,5 м

ГЛОНАСС-Глобальна навігаційна супутникова система. Російська розробка, оператором якої виступає Роскосмос, — передбачається як цивільне, так і військове використання. ГЛОНАСС здатна транслювати сигнали, доступні в будь-якому куточку Земної кулі: на даний момент вона надає навігаційні послуги безкоштовно, без обмежень всім цивільним особам. Для спеціального застосування може бути відкритий високоточний шифрований сигнал.

Великий плюс перед звичним ГПС в тому, що Глонассовскіе супутники не синхронізуються в орбітальному русі з обертанням планети, що робить їх більш стабільними, ніж американські. Тому космічні компоненти ГЛОНАСС тривалий час свого використання можуть працювати без коригувань.

Beidou ( Китай )

• Покриття: глобальне
• Дата старту: 2000
• Число супутників: 40
• Точність: до 10 м

Китайська супутникова навігаційна система «Бейдоу» («Північний Ківш» — сузір'я Великої Ведмедиці) вийшла на повну потужність зовсім недавно, в 2020 році. В основі проекту-геосинхронні і геостаціонарні супутники на середній орбіті. Beidou розвивається синхронно з ГЛОНАСС-оператори систем домовилися про взаємний обмін технологій. Сьогодні навігаційний проект родом з КНР — найбільш швидкозростаючий у світі: його припускають використовувати для прогнозування стихійних лих, безпілотної з/х техніки, дронів-доставників, навігації поїздів, автомобілів, літаків, а також для перешкоджання вчиненню екологічних правопорушень.

Galileo (ЄС)

• Покриття: глобальне
• Дата старту: 2011
• Число супутників: 23
• Точність: до 1 м

«Галілео» — супутникова навігаційна система, що стала спільним проектом ЄС і Європейського космічного агентства. Також учасниками виступають КНР, Південна Корея , Ізраїль і Україна . Galileo дозволяє вирішувати як навігаційні, так і супутникові завдання, а її зашифрований сигнал визначає локацію з точністю до 1 см! На відміну від американських, китайських і російських ГНСС це не Національний, а загальноєвропейський проект.

QZSS ( Японія )

• Покриття: Японія, Австралія , Нова Зеландія
• Дата старту: 2006 
• Число супутників: 1

Quasi-Zenith Satellite System — «Квазізенітна супутникова система» диференціальної корекції. Передбачає обмежену точність і поки що не здатна працювати автономно. Головна мета проекту-використання в додатках для смартфонів, надання послуг зв'язку, мобільна картографія для туристів і громадського транспорту.

IRNSS ( Індія )

• Покриття: Індія, Пакистан, Афганістан
• Дата старту: 2013
• Число супутників: 8
• Точність: до 10 м

Indian Regional Navigation Satellite System — національний навігаційний проект, що розробляється індійською організацією космо-досліджень. Спрямований на задоволення потреб громадян тільки своєї країни. NAVIC (назва, дана після запуску) використовується для наземної, морської та повітряної навігації, геодезії та картографії, логістики та туризму, для смартфонів та визначення точного часу.

DORIS ( Франція )

Détermination d'orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite — Французька громадянська навігаційна система супер-точного (сантиметрового) визначення локації. Розроблена на основі ефекту Доплера, спочатку призначалася для геофізичних і геодезичних цілей — це спостереження за океанами і зрушенням тектонічних плит. Відрізняється тим, що на Землі встановлені передавачі, а на супутниках — приймачі сигналу.

Які системи навігації вже не діють?

Супутникові навігаційні системи, що вже стали історичними:

• «Транзит» (США, 1960-1996): перша на землі Navigation Satellite System.
• «Парус» (СРСР, 1976): низькоорбітальна космічна навігаційна система (КНС), один з радянських супутників військового призначення.
• «Цикада» (СРСР-РФ, 1976-2008): низькоорбітальна КНС цивільного призначення, російський аналог американської Transit.
• «Циклон» (СРСР-РФ, 1976-2010): перша радянська супутникова навігаційна система.

Що краще в 2023 році: GPS або ГЛОНАСС?

Супутники російської навігаційної системи ГЛОНАСС рухаються в трьох орбітальних площинах — по 8 КА на кожній орбіті. При цьому пристрої GPS переміщаються по чотирьох орбітах — по 8 супутників в кожній площині. Американська система більш точна, але і ГЛОНАСС не дає великих похибок. Додамо, що російська система здатна безперебійно працювати без необхідності коригування. Для користувачів же головна відмінність в тому, що GPS покриває всю поверхню нашої планети, а ГЛОНАСС більш заточений під РФ. За межами Росії є чимало ділянок, де сигнал від супутників або дуже слабкий, або зовсім відсутній.

Global Positioning System активно працює з 1993 року, в той час Глобальна навігаційна супутникова Система приступила до активної роботи тільки в 2009. Відзначимо таку особливість, що супутники ГЛОНАСС спостерігаються на асинхронних орбітах, по 8 апаратів в трьох площинах, а той час як у GPS по 8 супутників на чотирьох геостаціонарних орбітах. Простими словами, вони нерухомо висять над певними точками поверхні планети. 

Така система дозволяє ГЛОНАСС відмінно працювати у всіх широтах, в той час як «ДЖІ-ПІ-ЕС» може некоректно функціонувати в полярних зонах. Однак американський розробник обіцяє незабаром вирішити цю проблему виведенням на орбіту 24 додаткових супутників.

Але при цьому по GPS набагато простіше знайти у вільному доступі. Трекери і навігатори, що використовують Global Positioning System, доступні, продаються за прийнятною ціною. Також зручною навігаційною системою за замовчуванням оснащені смартфони та інші гаджети відомих виробників. "ДЖІ-ПІ-ЕС" відмінно дружить з багатьма гео-програмами і додатками, працює в будь-яку погоду. ГЛОНАСС тут поступається тим, що програмне забезпечення з його участю поки представлено на ринку в обмеженій кількості.

Важливо пам'ятати, що в основі обох систем один і той же принцип дії — аналіз спектрального зміщення сигналу по ефекту Доплера. Обом розробкам для знаходження об'єкта на поверхні Землі потрібно, щоб він був оснащений приймачем сигналу. Без цього супутник не помітить потрібний предмет ні в американській, ні в російській системі. 

Команда бізнес - журналу https://worldbank.org.ua виділяє, що GPS залишається найпопулярнішою глобальною навігаційною системою-саме її підтримує левова частка наших гаджетів. Однак "ДЖІ-ПІ-ЕС" належить Міністерству оборони Штатів, що багато хто вважає великим недоліком ДПС. На другому місці за популярністю Російський ГЛОНАСС, який має ту ж специфіку — система належить Міністерству оборони РФ. У даних ГНСС в 2020 з'явився серйозний суперник — Китайська Global Navigation Satellite System «Бейдоу». Менш популярними є регіональні розробки Galileo, DORIS, IRNSS, QZSS.