Как работает спутниковая навигация? Что придет ей на смену?

Как работает спутниковая навигация? Что придет ей на смену?

Каждый пользователь смартфона за секунду может узнать сколько нужно ехать до назначенного места, как лучше всего туда добраться, далеко ли находится такси или трамвай и какое расстояние имеет заданный маршрут. Всем этим человечество обязано небольшому аппарату на орбите.

Как работает спутниковая навигация?

эффекту Доплера

Самой популярной спутниковой системой является GPS, или система глобального позиционирования. Толчком к ее созданию стали
наблюдения за первым искусственным спутником Земли, который СССР вывел на орбиту в 1957 году. Благодаря эффекту Доплера ученые обнаружили изменение частоты сигнала при перемещении спутника: увеличение при его приближении и уменьшении при отдалении. Зная конкретные координаты на Земле, можно измерить как положение, так и скорость спутника в космосе, и наоборот, определить
собственную скорость и координаты.

В 1960-х годах в США началась разработка спутниковой сети, которую изначально планировали использовать только для военных целей. В 1973 году система, сменив несколько названий, стала называться GPS, а в 1974 году на орбите появился ее первый тестовый спутник. В 1983 году было решено дать доступ к сигналу и гражданским службам. В 1995 году GPS окончательно вошла в эксплуатацию.

Система состоит из спутников, наземных станций и приемников. Местоположение спутников всегда известно, они контролируются наземными станциями, а приемники, например, смартфоны, рассчитывают расстояние до нескольких ближайших спутников и определяют свою локацию. Сейчас на орбите, на высоте около 20 тыс. км. находятся 31 действующих GPS спутников, которые совершают виток вокруг земли за 11 ч. 58 мин. Точность современной GPS системы достигает 2 м.

Несмотря на популярность, GPS не единственная навигационная система. Некоторые мобильные устройства уже используют GPS и ГЛОНАСС — российскую спутниковую сеть. ГЛОНАСС является преемником первой отечественной системы Цикада, 4 спутника которой выведены на орбиту еще в 1979 году. Испытание ГЛОНАСС начались в 1982 году, а в 1995 году на орбите были уже 24 спутника. ГЛОНАСС создавалась как для военной, так и для гражданской навигации. Принцип ее работы схож с GPS, но главное отличие от американской системы в том, что ГЛОНАСС не нуждается в корректировке точности. Российские спутники вращаются независимо от движения планеты, а спутники GPS вращаются синхронно с Землей, что требует контроля отклонений с помощью специальной геостанции. Спутники ГЛОНАСС обращаются вокруг земли за 11 ч.15 мин, на высоте 19100 км. Точность измерений — около 3 м.

Кроме США и России своя спутниковая система есть и у Евросоюза с главным центром управления в Италии. Первые аппараты Galileo появились на орбите в 2011 году, сейчас в системе используются 27 штатных спутников и 3 резервных. Европейские спутники вращаются по орбитам высотой 23222 км и проходят один виток за 14 ч. 4 мин. 42 сек. Точность позиционирования Galileo — около 4 м.

Китайская орбитальная группировка Baidu (в переводе «Большая медведица») — это еще одна навигационная система. Сейчас она состоит из 43 спутников, большинство из которых обращается на средний околоземной орбите высотой 21500 км. Точность позиционирования Baidu — 10 мм.

Один из вопросов, которые приходится решать российской, американской, европейской и китайской сторонам — это частотные диапазоны своих спутников. Кроме того, еще нет окончательной договоренности о совместимости навигационных систем.

Что придет на смену спутниковой навигации?

Спутниковая навигация довольно надежна, но не безупречна. Плохая погода или даже некоторые здания могут помешать ее работе. В качестве альтернативы спутниковым система в Британии в 2018 году представили квантовый компас, или квантовый акселерометр, который измеряет изменение скорости объекта. Модификация акселерометра в настоящее время есть в смартфонах, он называется G-сенсор и используется в основном для определения изменения наклона устройства.

Идея применения акселерометров в навигации не нова, но на больших расстояниях данный прибор дает сильные погрешности. Квантовый акселерометр измеряет ускорение новым способом, используя переохлажденные атомы. Первый лазерный луч охлаждает атомы, приводя их в квантовое состояние, чтобы было проще отслеживать их движение, а второй лазерный луч используется как оптическая линейка.

Квантовые системы очень чувствительны, они обеспечивают большую точность, поэтому правительство Великобритании уже инвестировала в технологию, но пока размер устройства даже отдаленно не позволяет установить его в смартфон. И пока усовершенствуется квантовый компас, спутники остаются нашими главными советчиками в вопросах навигации.

Исхаков Максим

Руководитель информационного портала "Безопасник". Директор компании по продаже и установке систем безопасности.

Оцените автора
Портал о системах видеонаблюдения и безопасности
Добавить комментарий