Зарубежные спутниковые навигационные системы (2014)

Полковник Р. Алексеев

Спутниковые навигационные системы (СНС) в последние годы стали ключевым элементам навигационно-временного обеспечения пользователей во всех сферах деятельности ведущих иностранных государств. Использование таких систем обеспечивает надежное и точное определение пространственного местоположения и точного времени в интересах широкого круга потребителей в вооруженных силах, во всех видах транспортных коммуникаций, энергетике и других отраслях экономики.

Основное место за рубежом в данной области занимает американская СНС "Навстар", находящаяся в эксплуатации около 20 лет. Собственные системы создают Европейский союз ("Галилео"), Китай ("Бэйдоу"), Индия (ИРНСС) и Япония (КЗСС).

Принцип работы таких систем одинаков и заключается в том, что находящиеся на околоземных орбитах космические аппараты (КА) непрерывно излучают дальномерные навигационные радиосигналы, содержащие данные об эфемеридах1, альманахе2 и других параметрах. Навигационный приемник пользователя принимает и обрабатывает эти сигналы одновременно от нескольких (не менее четырех) КА и вычисляет на основе полученных данных свои географические координаты (широту и долготу), высоту над уровнем моря, скорость, направление движения и время.

Принцип работы спутниковой навигационной системы

Космический элемент СНС "Навстар"

По зоне обслуживания СНС подразделяются на глобальные (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) и региональные. Кроме того, созданы и постоянно совершенствуются региональные дополнения к системе "Навстар", позволяющие повысить точность и расширить возможности получения и использования навигационных данных.

Глобальная спутниковая навигационная система "Навстар" (NAVSTAR - NAVigation System using Timing And Ranging) является наиболее распространенным средством определения местоположения для широкого круга военных и гражданских пользователей.

В автономном режиме система предоставляет услуги стандартного (SPS -Standard Positioning Service) и точного (PPS - Precise Positioning Service) позиционирования. При этом точность определения местоположения составляет не хуже 6 и 3 м соответственно. Согласно планам американского военного ведомства, к 2030 году эти показатели должны быть улучшены практически на порядок (0,4 и 0,7 м). Кроме того, в системе поддерживается дифференциальный режим, позволяющий улучшить точность определения координат.

Для предотвращения использования системы "Навстар" в ущерб национальным интересам руководство США может вводить ограничительные меры, предусматривающие преднамеренное снижение точности определения координат в стандартном режиме вплоть до временного отключения открытых навигационных сигналов.

Космический элемент СНС "Навстар" включает 31 КА второго поколения ("Навстар-2") на орбитах высотой около 20 тыс. км с наклонением 55° и периодом обращения 11 ч 58 мин. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 60°. В составе группировки в настоящее время используются КА "Навстар" четырех модификаций: 2А (семь единиц, 1990-1997 годы запуска), 2R (12 единиц, 1997-2004), 2RM (семь единиц, 2005-2009) и 2F (пять единиц, 2010-2014). Спутник "HaecTap-2F6", запущенный в мае 2014 года, находится на испытаниях. Всего в течение ближайших двух-трех лет в системе планируется использовать 12 КА модификации 2F.

Аппараты модификаций 2А и 2F созданы компанией "Боинг", a 2R и 2RM -"Локхид-Мартин".

Бортовые радиопередатчики КА семейства "Навстар-2" излучают на трех частотах L-диапазона (LI, L2 и L5) семь навигационных сигналов, в том числе три открытых и четыре защищенных.

Спутники модификаций 2А и 2R передают сигналы L1C/A, L1P(Y) и L2P(Y), "Навстар-2ЯМ" - те же сигналы и дополнительно L1M, L2C и L2M, а "Нав-CTap-2F" - все семь сигналов.

Открытые сигналы предназначены для использования в любых навигационных приемниках, в том числе в профессиональном оборудовании, коммерческих навигаторах, планшетных компьютерах, смартфонах и других общедоступных устройствах. В стандартном режиме определения местоположения применяются только открытые сигналы, а защищенные сигналы - в точном режиме определения местоположения только в навигационных приемниках авторизованных пользователей, в том числе вооруженных сил США и их союзников.

Кроме навигационного оборудования на борту КА "Навстар" установлена аппаратура GBD американской космической системы обнаружения ядерных взрывов (NDS - Nuclear detonation Detection System).

Спутники третьего поколения "Навстар-3" с дополнительным открытым навигационным сигналом (ЫС) должны заменить к 2025 году находящиеся в эксплуатации КА семейства "На-встар-2" и обеспечить повышенную точность определения местоположения и защищенность военных навигационных сигналов от средств радиоэлектронной борьбы. В состав бортовой аппаратуры этих аппаратов планируется включить узконаправленные антенны для передачи защищенных сигналов с повышенной мощностью в ограниченных районах обслуживания на земной поверхности.

В составе космического элемента предполагается развернуть 32 КА трех модификаций: ЗА (восемь), ЗВ (16) и ЗС (восемь, с возможностью приобретения дополнительно восьми КА для обеспечения требуемого уровня защищенности сигналов).

Головным разработчиком спутников третьего поколения является фирма "Локхид-Мартин". В качестве альтернативных вариантов рассматривается возможность модернизации конструкции КА для обеспечения одновременного запуска двух аппаратов одной ракетой-носителем, создания недорогих спутников NavSat с ограниченными навигационными возможностями и без аппаратуры ОЯВ, а также использования геостационарных КА с дополнительной навигационной полезной нагрузкой.

Наземный элемент СНС "Навстар" выполняет ряд функций: осуществляет контроль функционирования спутников системы, измерение и прогнозирование эфемерид, закладку данных в бортовые навигационные Процессоры КА, формирование и синхронизацию системного времени. В его состав входят: станции управления системой на авиабазах Шривер (штат Колорадо) и Ванденберг (Калифорния), станции закладки эфемерид, размещенные на о. Вознесения (Атлантический океан), о. Диего-Гарсия (Индийский океан) и Маршалловых о-вах (Тихий океан), а также сеть контрольных станций, находящихся в различных регионах мира. Работы по модернизации наземного элемента проводятся в рамках программы OCX, рассчитанной до 2019 года и нацеленной на обеспечение функционирования на орбите спутников второго (модификации 2F) и третьего поколений.

Зоны обслуживания космическими дополнениями WAAS и EGNOS

Навигационные приемники используются во всех видах и родах войск ВС США и их союзников. На вооружении сухопутных войск находятся современные двухчастотные 12-ка-нальные приемники типа DAGR и их уменьшенный вариант - MicroDAGR. Они оснащаются электронным модулем SAASM, предназначенным для защиты от имитации сигналов и несанкционированного доступа. Наряду с этим продолжается эксплуатация предыдущего поколения одночастотных пятиканальных приемников типа PLGR.

В военно-воздушных силах используется двухчастотный 12-канальный авиационный приемник MAGR 2000 (Miniature Airborne GPS Receiver), а в военно-морских силах - двухчастотный пятиканальный корабельный приемник WRN-6.

НИОКР по дальнейшему совершенствованию навигационной аппаратуры для военных пользователей ведутся в рамках программы MGUE (Military GPS User Equipment), рассчитанной до 2017 года и предусматривающей создание нового поколения приемников для летательных аппаратов и наземных средств.

Всего на реализацию программы "На-встар" из бюджета Пентагона уже израсходовано около 34 млрд долларов, а на совершенствование системы до 2030 года планируется потратить порядка 22 млрд.

Космические и наземные расширения СНС "Навстар" создаются для повышения точности и доступности навигационных услуг на национальном и региональном уровне. Космические расширения (SBAS - Space-Based Augmentation Systems) обслуживают территорию США, Канады и Мексики (система WAAS), Европы (EGNOS), Индии (GAGAN) и Японии (MSAS).

Принцип функционирования космических расширений основан на использовании дифференциального режима и дополнительных передатчиков навигационных сигналов, установленных на геостационарных спутниках.

Система WAAS функционирует с середины 2000-х годов на базе трех геостационарных спутников (Anik FIR, Galaxy 15 и Inmarsat 4F3) и наземного сегмента, включающего в свой состав около 30 опорных станций.

Наземные дополнения (GBAS -Ground-Based Augmenation Systems) основаны только на дифференциальном режиме работы СНС "Навстар". Их зона обслуживания зависит от количества и мест размещения опорных станций. На территории США развернута наземная система NDGPS (более 90 опорных станций), обеспечивающая точность определения местоположения до 1-2 м. Кроме того, для обеспечения точного инструментального взлета и посадки военных и гражданских самолетов созданы и совершенствуются дифференциальные дополнения JPALS и LAAS, соответствующие требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Космический элемент Galileo

Европейская спутниковая навигационная система "Галилео" (Galileo) создается с начала 2000-х годов в рамках совместного проекта Еврокомиссии и европейского космического агентства. Она должна обеспечивать предоставление в глобальном масштабе навигационных услуг для различных категорий пользователей, включая правительственные, в том числе военные, структуры, а также коммерческий и открытый доступ. Точность определения местоположения для двухчастотных приемников должна составить около 5 м.

На начальном этапе создания системы в 2005 и 2008 годах на орбиты были выведены два экспериментальных КА типа GIOVE, предназначенных для исследования дальномерных навигационных сигналов. В ходе очередного этапа в 2011-2012 годах были осуществлены запуски четырех экспериментальных КА типа "Галилео" IOV (In-Orbit Validation) для проведения орбитальных испытаний бортовой аппаратуры и проверки ее совместимости с наземными средствами управления и навигационными приемниками. На текущий год запланированы запуски первых эксплуатационных спутников "Галилео" FOC (Full Operational Capability), а полное развертывание орбитальной группировки в составе 30 КА намечено завершить к 2018-му.

Аппараты будут выводиться на орбиты высотой около 23 200 км с наклонением 56° и периодом обращения 14 ч. Все КА будут равномерно размещены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 120°.

Головным разработчиком КА является германская фирма ОНВ System. Бортовое навигационное оборудование создает британская фирма SSTL.

В системе "Галилео" планируется использовать семь навигационных сигналов (пять открытых и два защищенных) на трех частотах L-диапазона. Радиолиния L6 будет задействоваться в интересах поисково-спасательных служб.

Наземный элемент СНС "Галилео" включает в свой состав: два центра управления, находящихся в городах Оберп-фаффенхофен (Германия) и Фучино (Италия); комплекс орбитальных испытаний в Бельгии; размещенные в различных районах мира станции закладки данных на борт КА; дальномерные станции; средства командно-телеметрического контроля и управления.

На создание СНС "Галилео" уже израсходовано около 3,5 млрд евро, а до 2020 года на реализацию этого проекта намечено выделить еще 7 млрд.

Европейское дополнение EGNOS системы "Навстар" функционирует с середины 2000-х годов. В настоящее время в его составе используются комплекты навигационной аппаратуры, установленные на борту четырех коммерческих спутников связи на геостационарной орбите ("Ин-MapcaT-3F2 и -4F2", SES-5, "Артемис"). Они излучают общедоступные навигационные сигналы на частоте L1 (1 575,42 МГц), аналогичные используемым в американской системе.

Космический элемент СНС "Бэйдоу"

Китайская СНС "Бэйдоу" (BeiDou) на базе спутников первого поколения (три геостационарных КА) была развернута в 2000-2003 годах и находилась в эксплуатации около десяти лет. В ней применялся запросный способ определения местоположения, а точность позиционирования составляла десятки метров.

В 2007 году в Китае началось развертывание системы второго поколения на базе КА семейства "Бэйдоу-2". В течение пяти лет на орбиты были выведены 16 спутников, 14 из которых находятся в работоспособном состоянии. Четыре ИСЗ ("Бэйдоу-2М") размещены на круговых орбитах высотой около 21 500 км с наклонением 55° и периодом обращения 12 ч 53 мин, пять ("Бэйдоу-20") -на геостационарной орбите и четыре ("Бэйдоу-2IGSO") - на геосинхронных 24-часовых орбитах с наклонением 55°.

В таком составе орбитальная группировка обеспечивает навигационные услуги на территории страны и в районе  с координатами 55° с. ш. - 55° ю. ш., 80-160° в. д. с точностью 10-15 м.

Бортовые передатчики КА семейства "Бэйдоу-2" излучают на трех частотах L-диапазона пять навигационных сигналов с видом модуляции QPSK, в том числе два открытых и три защищенных.

В текущем году планируется приступить к созданию системы третьего поколения на базе КА семейства "Бэй-доу-3", которая к 2020 году должна иметь глобальную зону обслуживания и предоставлять навигационные услуги с точностью не хуже 10 м. В составе космического элемента намечается иметь 27 аппаратов на круговых орбитах высотой около 21 500 км, пять КА на геостационарной и три на наклонных геосинхронных орбитах.

Бортовые передатчики будут излучать 11 сигналов (шесть открытых и пять защищенных) на трех частотах L-диапазона, при этом шесть из них будут содержать навигационные данные, а пять использоваться только для измерения дальности. Несущие частоты двух радиолиний должны быть изменены. Так, сигналы В1 планируется передавать на несущей частоте 1 575,42 МГц (вместо 1561,1 МГц), используемой в СНС "Навстар" (L1), а сигналы В2 - на частоте 1 191,795 МГц (вместо 1 207,14 МГц), выделенной также для европейской системы "Галилео" (Е5).

Индийская региональная СНС ИРНСС (IRNSS - Indian Regional Navigation Satellite System) создается с середины 2000-х годов в интересах военных и гражданских потребителей. Зона обслуживания системы будет охватывать земную поверхность в пределах 40° с. ш. - 40 ю. ш., 40 -140° в. д. В соответствии с заданными требованиями точность определения координат должна составлять до 10 м на территории Индии и сопредельных государств и до 20 м в регионе Индийского океана.

Космический элемент будет включать в свой состав три КА на геостационарной и четыре на наклонных 24-часовых орбитах. Первый и второй КА "ИРНСС-1А и -1В" были выведены на геостационарную орбиту в 2013 и 2014 годах. Развертывание орбитальной группировки в полном составе планируется завершить в 2016 году.

Радионавигационная аппаратура КА типа "ИРНСС-1" осуществляет передачу сигналов для военных и гражданских пользователей на частоте 1 176,45 МГц, совместимой с сигналами американской СНС "Навстар" (L5) и европейской "Галилео" (Е5а), и на частоте 2 492,08 МГц, предназначенной для обслуживания только национальных потребителей. На обеих частотах передаются защищенный и открытый навигационные сигналы.

Индийское дополнение GAGAN (GPS And GEO Augmented Navigation) американской СНС "Навстар" находится в эксплуатации с 2009 года. В настоящее время в состав космического сегмента входят два комплекта навигационной аппаратуры, установленной на геостационарных спутниках связи GSAT 8 и GSAT 10. В дальнейшем планами предусматривается наращивание космического элемента этой системы до трех спутников (запуск КА GSAT 15 намечен на текущий год), развертывание наземных опорных станций на территории других стран региона и сертификация системы согласно требованиям ИКАО.

Суточная трасса КА типа QZS 1

Японская СНС КЗСС (QZSS - Quasi-Zenith Satellite System) создается одновременно и как самостоятельная система, и как дополнение к "Навстар" для повышения уровня доступности навигационных сигналов в условиях высотной городской застройки и гористой местности. Принцип ее функционирования состоит в том, что над территорией страны постоянно находится один-два геосинхронных спутника приблизительно в зените (при углах места 70-80°), что позволит обеспечивать прием передаваемых ими навигационных сигналов при угле места наблюдения спутника не менее 70° (для Токио - 80°).

Запуск первого геосинхронного КА QZS 1 (другое наименование Michi-biki 1) был осуществлен в 2010 году. Сроки производства и запуска следующих аппаратов пока не определены. Бортовые передатчики излучают на четырех частотах L-диапазона шесть навигационных сигналов, четыре из которых (L1C/A, L1C, L2C, L5) совместимы с сигналами системы "Навстар" и один (LEX) - с аналогичным сигналом (Е6) европейской СНС "Галилео". В наземном элементе используются контрольные станции, находящиеся в Японии, Индии, Австралии, Таиланде, на о. Гуам и Гавайских о-вах.

Японское дополнение MSAS (Multi-transport Satellite based Augmentation System) американской СНС "Навстар" было развернуто в 2005-2006 годах на базе навигационной аппаратуры, установленной на двух геостационарных метеорологических спутниках -MTSAT 1R и 2. Запуски очередных двух КА данного типа планируется осуществить в текущем и 2016 годах. Система используется в основном для высокоточного навигационного обеспечения полетов авиации в зоне действия японской системы управления воздушным движением.

Таким образом, ведущиеся за рубежом работы в области создания и совершенствования спутниковых навигационных систем направлены на развертывание и модернизацию орбитальных группировок космических аппаратов, наземных средств управления и навигационных приемников в целях повышения точности, доступности и надежности определения пространственных координат и времени для военных и гражданских потребителей.

Таблица 1 Характеристики сигналов СНС "Навстар"
Обозначение сигнала	Несущая частота, МГц	Ширина полосы, МГц	Тактовая частота, МГц	Вид модуляции	Вид сигнала
L1C/A	1575,42	20,5	1,023	BPSK	Открытый
L1P(Y)	1575,42	20,5	10,23	BPSK	Защищенный
L1M	1575,42	24	5,115	ВОС(10,5)	Защищенный
L2C	1227,6	20,5	1,023	BPSK&ТМ	Открытый
L2P(Y)	1227,6	20,5	10,23	BPSK	Защищенный
L2M	1227,6	24	5,115	BOC (10,5)	Защищенный
L5	1176,45	20,5	10,23	QPSK	Открытый
Таблица 2 Характеристики навигационных сигналов СНС "Галилео"
Обозначение сигнала	Несущая частота, МГц	Тактовая частота, МГц	Ширина полосы, МГц	Структура сигнала	Виды доступа
Е1-А	1 575,42	2,56	24,55	BOCcos(15,2/5)	Защищенный
Е1-В	1 575,42	1,023	24,55	СВ0С(6,1,1/11)	OS, SoL, CS
Е1-С	1 575,42	1,023	24,55	СВОС(6,1,1/11)	OS, SoL, CS
Е6-А	1 278,75	5,115	40,9	BOCcos(10,5)	Защищенный
Е6-В/С	1 278,75	5,115	40,9	BPSK(5)	CS
Е5	1 191,795	10,23	51,15	AltBOC(15,10)	OS
Е5а	1 176,45	10,23	27,8	AltВОС(15,10)	OS, CS
Е5b	1 207,14	10,23	23,2	AltBOC(15,10)	OS, CS, SoL
Примечание. OS - открытый доступ, CS - коммерческий доступ, SoL - доступ повышенной надежности.
Таблица 3 Навигационные сигналы КА семейства "Бэйдоу-2"
Обозначение сигнала	Несущая частота, МГц	Ширина полосы, МГц	Тактовая частота, МГц	Вид сигнала
В1(I)	1561,1	4,1	2,05	Открытый
B1(Q)	1561,1	4,1	2,05	Защищенный
B2(I)	1207,14	24	2,05	Открытый
B2(Q)	1207,14	24	10,23	Защищенный
В3	1268,52	24	10,23	Защищенный

1 Эфемериды - прогнозируемые параметры движения КА.

2 Альманах - данные о местоположении и состоянии всех КА системы.

 Зарубежное военное обозрение. 2014, №8, С. 68-75