Яценков В.С. Основы спутниковой радионавигации (2003)

УДК 621.396.9 ББК 32.884.1 Я92 Рецензент: докпюр техн. наук, профессор В. М. Терентьев Яценков В. С. Я92 Основы спутниковой навигации. Системы 12Р8 1чАЧ8ТАН и ГЛОНАСС. — М: Горячая линия — Телеком, 2005. — 272 с.: ил. 1ЗВЙ 5-93517-218-6.

Систематизирована информация о спутниковых навигационных системах 6РЗ 1чАЧЗТАЯ и ГЛОНАСС. Изложена история разработки и создания систем, рассмотрены основные принципы их работы. Приведены характеристики и структура навигационных сигналов, данные о технических возможностях и параметрах действующих систем, даны определения основных понятий и терминов, перечислены наиболее познавательные ресурсы сети Интернет.

Дпя разработчиков и пользователей навигационных систем различного уровня подготовки, от любителей, эксплуатирующих приемники 6РЗ в быту, до специалистов, использующих навигационные средства в повседневной работе. Может быть полезна студентам радиотехнических специальностей нзаспирантам. ББК 32.884.1 Адрес издагпельстеа е Интернет илмиг Геслооогг.ги е-таИ: гавтое ЬИРтги-леГ.ги Справочное издание Яценков Валерий Станиславович ОСНОВЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ СИСТЕМЫ 6Р8 1чАЧ8ТАН И ГЛОНАСС Редактор А.

Е. Павлов Корректор В. П. Петрова Художник Л. Г. Летиное Подготовка оригинал-макета Ю. Н. Рысина лицензия ПР Ке 071826 от 16.03.99 г. Порписаяо к печати 02,08.2004. Формат 60гг88! Г1 6. усл. печ. и. 11. Изд. Нз 218. Тираж ОООО экз П-й запор 2000 экэд ! ЗВ111 5-93517-218-6 © В. С. Яценков, 2005 © Оформление издательства «Горячая линия — Телеком», 2005 ВВЕДЕНИЕ На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская ЙАЧЗТАН.

Именно к ним принято относить популярное сокращение 6РЯ (6!оЬа! Ровйоп!по Зуэ$еп~). Давайте взглянем на них с точки зрения обывателя, не искушенного в тонкостях технологии, но имеющего желание (и возможности) применять практические блага этой технологии в быту. Будем откровенны: большинство российских граждан представляют себе 6РЯ исключительно по портативным приемникам или автомобильным системам навигации. Можно предположить, что и за рубежом ситуация аналогична — не стоит преувеличивать уровень технической культуры зарубежного потребителя, зачастую он ниже, чем у российского. В результате у рядового потребителя к бытовым приемникам 8РЯ сложилось отношение как к забаве для состоятельных людей, либо как к специфическому хобби.

Отчасти причиной этого является недостаточная популяризация технологии 6РЯ в нашей стране. Если научная сторона вопроса освещается на должном уровне, в монографиях и сборниках научных работ, то изложение информации, интересной и понятной массовому потребителю, происходит в недостаточном объеме. При подготовке материала книги мы постарались частично восполнить этот пробел. В ряде случаев мы были вынуждены пойти на сознательные упрощения и сокращения, указывая читателю на первоисточники для более глубокого изучения вопроса. Поскольку эта книга в основном адресована студентам, инженеРам.

и рядовым потребителям, желающим больше узнать о 6РЯ, давайте обсудим, является ли ваш абонентский терминал дорогой игрушкой для взрослых, или это действительно полезный прибор. Впрочем, он хорош и как чрезвычайно интересное хобби, но об этом чуть позже. Начнем с того, что в эпиграф многих книг и статей, посвященных спутниковому позиционированию, вынесены примерно следующие слова: "Пользователь системы 6РЗ не должен забывать, что его терминал является лишь вспомогательным прибором. Никакая из Введение существующих автоматических систем не освобождает его от необходимости знать основы и владеть навыками традиционной навигации". В течение многих веков путешественники нуждались в методах определения своего местоположения на суше и на море.

На суше можно было с удовлетворительной точностью ориентироваться по приметам ландшафта, используя компас, карту и отмечая пройденный путь. Чем подробнее карта, тем точнее удается определить свое положение на местности. Туристу или охотнику в большинстве случаев достаточно знать, как выйти на околицу деревни или к дороге федерального значения. Более подробно он ориентируется по визуальным признакам и на этом уровне ему совершенно не требуется точное знание геодезических координат. Но стоит лишь немного усложнить ситуацию, как становится очевидной потребность в точных координатах.

Например, при поисково-спасательных работах априорное знание координат может значительно сократить время поисков и спасти жизнь пострадавшим. Многие хорошо экипированные группы и отдельные путешественники имеют с собой аварийные радиомаяки. Координаты некоторых радиомаяков вычисляют, пеленгуя их со спутников. Точность этого метода во многих реальных ситуациях, к сожалению, недостаточно велика. 0Р8-маячки нового типа в случае опасности автоматически передают на спугник свои координаты.

Но чтобы автоматически передать координаты, их сначала надо автоматически определить, не так ли? Поэтому такой маячок содержит в себе портативный приемник сигналов 6Р8. Очевидно, что это уже не дорогая игрушка, а эффективное средство спасения. Далее, поисковая группа может двинуться на поиски, ориентируясь исключительно по карте. Любая карта, являясь условным изображением реальной местности, во-первых, должна быть гпочно привязана к системе координат "широта/долгота". Во-вторых, любая карта имеет определенные погрешности в изображении и привязке. У поисковой группы может просто не оказаться достаточно точной карты местности (это вовсе не редкость даже сейчас, особенно в горных районах) и реальная зона поисков при наложении всех погрешностей может "размыться" на несколько километров.

Пилоты военной авиации имеют при себе аварийные маячки с автоматическим определением координат. Например, пресс-служба ВВС США неоднократно с гордостью подчеркивала, что для спасения пилотов, катапультировавшихся во время военных действий, поисковым группам для обнаружения пилотов требовалось ровно Введение столько времени, сколько необходимо, чтобы добраться до конкретно заданной точки. Привязку карты можно выполнять традиционными способами, при помощи угломерных методов, для чего требуются точные часы и прибор, замеряющий в данный момент времени положение Солнца на небосводе. Такой метод требует достаточно громоздкого оборудования, кропотливой работы, специальных навыков и дает точность, недостаточную для множества современных применений. Теперь для геодезических целей существует специальное оборудование на базе дифференциальных подсистем ОР8, позволяющее позиционировать контрольные точки с точностью до долей сантиметра.

Причем автоматически измеряются не только координаты на земной поверхности (долгота/широта) но и высота над уровнем моря. Геодезическое оборудование, конечно, не относится к персональным бытовым приборам, но, так или иначе, имеет к нам отношение. Рано или поздно большинство из нас либо поедет по дороге, у которой практически отсутствуют вертикальные отклонения полотна, либо воспользуется высокоточной картой, либо по мобильному телефону со встроенной ОР8 вызовет аварийную службу на проселочную дорогу и будет уверен, что его там найдут, причем максимально быстро.

Если на суше ОР8 действительно воспринимается, как дополнительное устройство, то в открытом море система спутникового позиционирования почти незаменима. Для современного яхтсмена терминал ОР8 — основное средство навигации. Наверняка читатели знают о том, что яхты всех знаменитых путешественников оборудованы автоматическими устройствами, позволяющими не просто поддерживать заданный курс, а двигаться по заданному маршруту. В принципе, задача поддержания постоянного курса давно решена при помощи компасов и гироскопов, но когда речь идет о маршруте, нужно постоянно знать не только курс, но и пройденное расстояние.

А как его автоматически измерять, находясь на воде? Только при помощи ОР8. Впрочем, достаточно часто можно было слышать и о том, что система спутниковой навигации отказала во время шторма и штурман был вынужден, как и много веков назад, прокладывать курс по компасу и звездам. Те, кому доводилось использовать или видеть систему навигации для автомобилистов, пожалуй, согласятся, что сама по себе система навигации, способная показывать движущуюся красную точку на карте, имеет не столь уж большую ценность для рядового автолюбителя. Хорошая автомобильная система навигации пред- Введение ставляет собой развитый информационный комплекс, в котором привязка объекта к координатам играет едва ли не вспомогательную роль. В самом деле, часто ли автолюбителю необходимо знать долготу и широту своего местоположения? Ему гораздо интереснее знать, далеко ли до заправки, есть ли там рядом ресторан и гостиница. Поэтому современные автомобильные навигаторы используют компакт-диски, на которых кроме набора карт записана самая разнообразная информация справочного и рекламного свойства, вплоть до фотографий внешнего вида зданий, чтобы облегчить автомобилисту ориентацию в незнакомом городе.

Сокращенно этот сервис называется ПЯ вЂ” 1п1еога1ес1 1гИоппабоп Яув1ет. Да, пока комплексные автомобильные системы 6РЯ+118 стоят весьма дорого, обычно от $1200 до $3000. Но такова судьба всех новинок, в предстоящем снижении цен и повышении доступности можно не сомневаться. Надеюсь, сказанного выше достаточно, чтобы убедиться, что первоначальное впечатление о бытовом сегменте 6РЯ, как о наборе дорогих, но малопрактичных игрушек, проистекает только из недостатка обзорной информации и неготовности самого обывателя сполна использовать все возможности 6РЯ. Остается лишь добавить, что напрасно, наверное, многие технические обозреватели и журналисты помещают информацию о бытовых ОРЯ-устройствах в раздел "бас1ое1в" 1забавные безделушки — англ). С точки зрения массового потребителя, система спутникового позиционирования совершила относительно "тихое" вторжение в нашу повседневную жизнь.

Результаты этого вторжения далеко не так очевидны и понятны массовому потребителю, как, например, в случае с изобретением и распространением телефонной связи, телевидения или Интернет. Тем не менее, аббревиатура 6РЯ все чаще слышна в обиходе, а соответствующее оборудование наконец-то в достаточном ассортименте и по доступной цене можно приобрести и в России. Необходимо с самого начала внести ясность в базовую терминологию. Начнем с того, что к сожалению, фактическим "законодателем стандартов" в спутниковом позиционировании, и особенно его бытовом сегменте, стали Соединенные Штаты. Речь идет о широко распространенном потребительском оборудовании, которое во всем мире ассоциируется, прежде всего, с принадлежащей США навигационной системой МАЧЯТАВ.