КНС — космическая навигационная система¶

КНС (космическая навигационная система) — обобщённое название радионавигационных систем, использующих космические аппараты в качестве источников сигналов для определения координат, времени и скорости объектов на поверхности Земли, в воздухе и в космосе. КНС является основой глобальных спутниковых навигационных систем (ГСНС), к которым относятся российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo и китайская BeiDou.

¶Принцип действия

КНС основана на методе радионавигации, при котором пользовательский приёмник определяет своё положение, измеряя расстояния до нескольких космических аппаратов. Расстояние вычисляется по времени распространения радиосигнала, передаваемого спутником, умноженному на скорость света. Для решения задачи о трёх координатах (широта, долгота, высота) необходимо принять сигналы как минимум от четырёх спутников: три из них задают пространственное положение, а четвёртый позволяет уточнить поправку на несовпадение часов приёмника и спутника.

Каждый спутник КНС несёт на борту высокостабильные атомные часы, обеспечивающие точность отсчёта времени порядка 10⁻¹³ секунды. Сигналы модулируются псевдослучайными кодами (для определения расстояния) и содержат данные о параметрах орбиты (эфемеридах) и состоянии системы (альманахе). Приёмник, приняв сигналы от нескольких спутников, вычисляет расстояния до каждого из них и находит точку пересечения сфер с соответствующими радиусами.

¶Классификация

КНС подразделяются по ряду признаков:

• По охвату территории — глобальные (действующие по всей поверхности Земли) и региональные (обслуживающие определённый район);
• По назначению — гражданские (открытый сигнал для массового использования) и специальные (с повышенной точностью или защищённым сигналом, предназначенные для военных и специальных служб);
• По кинематике приёмника — статические (определение неподвижных объектов), кинематические (движущихся) и дифференциальные (с использованием опорных станций для повышения точности).

¶ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) — российская КНС, разработанная по инициативе Министерства обороны СССР. Первый спутник системы «Космос-1333» был выведен на орбиту 12 октября 1982 года. Полная развёрнутая группировка состоит из 24 спутников, расположенных на трёх орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой около 19 100 км. Период обращения каждого спутника — 11 часов 15 минут.

Особенностью ГЛОНАСС является использование частотного разделения сигналов (FDMA): каждый спутник передаёт в своём частотном диапазоне, что отличает систему от GPS, где все аппараты работают на общей частоте с кодовым разделением (CDMA). В настоящее время в состав ГЛОНАСС входят спутники третьего поколения «Космос» с улучшенными характеристиками.

Точность определения координат гражданским приёмником составляет около 2,0–2,5 м по горизонтали и 3 м по высоте. Система обеспечивает непрерывное покрытие территории России и всего земного шара.

¶GPS

GPS (Global Positioning System) — американская КНС, разрабатываемая Воздушными силами США с 1973 года, первые спутники выведены в 1978 году. Полная оперативная группировка — 24 спутника на шести орбитальных плоскостях высотой около 20 200 км. Система широко применяется в гражданских целях по всему миру.

¶Galileo и BeiDou

Galileo — европейская гражданская КНС, находящаяся под управлением Европейского космического агентства (ESA) и Европейской комиссии. Развёртывание началось в 2011 году, полная группировка включает 30 спутников.

BeiDou — китайская КНС, прошедшая три этапа развития: региональная система для Восточной Азии (2000-е годы), расширенная до亚太ского региона (2012) и глобальная (с 2020 года). Полная группировка состоит из 30 спутников.

¶Применение

КНС находит применение в широком спектре областей:

• Гражданская навигация — автомобильные и мобильные навигаторы, смартфоны, морской и авиационный транспорт;
• Геодезия — высокоточное позиционирование при съёмке местности, строительстве, мониторинге деформаций;
• Сельское хозяйство — автоматическое управление сельхозтехникой, точное земледелие;
• Наука — геодинамика, мониторинг сейсмической активности, изучение вращения Земли;
• Связь и энергетика — синхронизация сетей передачи данных и энергосистем с высокой точностью времени;
• Спасательные службы — система поиска и спасения Cospas-Sarsat, использующая сигналы бедствия с определением координат через спутники КНС.

¶Развитие в России

Развитие российской КНС осуществляется в рамках федеральных целевых программ. Помимо ГЛОНАСС, в России ведутся работы по созданию дифференциальных и корректирующих сервисов (СДКС), обеспечивающих повышение точности позиционирования до десятков сантиметров. Разрабатываются приёмники с поддержкой одновременной работы в системах ГЛОНАСС и GPS, а также в перспективе — с Galileo и BeiDou.

¶Исторические предшественники

До появления КНС навигация в воздухе и на море осуществлялась наземными радионавигационными системами — «Декка», «Лоран», «Орион» и другими. Преимущество космических систем заключается в глобальном покрытии, высокой точности и возможности определения координат в любых погодных условиях.

¶Источники

• ГЛОНАСС. Документация Госкорпорации «Роскосмос»
• Учебник «Космические аппараты и ракеты-носители», под ред. В. А. Павлова
• Материалы Государственной корпорации по космической деятельности «Роскосмос»
• Справочник «Спутниковые навигационные системы», под ред. Ю. А. Рябова
• Официальные сайты ГЛОНАСС, GPS.gov, ESA Galileo