Cпутниковые Системы

12

3 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

3.1 СРНС Galileo

Не замечать происходящего нет никакой возможности. Голливуд поделил планету на "зоны" и пытается диктовать всему миру, когда (где и какие) фильмы положено смотреть в кинотеатрах, а когда - на DVD. Американские политики определяют, в каких частях планеты люди живут неправильно, а Пентагон пытается привить недоразвитым государствам любовь к демократии с помощью бомбежек и крылатых ракет. Министерство юстиции США настойчиво норовит распространить действие странноватых, мягко говоря, американских законов на территорию практически любой суверенной страны - и агенты ФБР отправляются для ареста местных хакеров в Британию, Норвегию или на Филиппины... Перечень этот можно продолжать долго, но и без него картина достаточно понятная. Имеется империя, уже до безобразия развращенная собственной силой и властью, и есть весь остальной мир, вынужденный до поры до времени с этим мириться. Будь то ради союзнического долга, по причине ощутимой экономической зависимости или просто во имя спокойной и сытой жизни.

Но все же степень терпимости не беспредельна, и пока что изредка (а изза американской беспардонности все чаще) лагерь даже бесспорно дружественных к США государств начинает демонстрировать здоровое стремление к независимости и самостоятельности. Ярким тому примером стали события 19 октября 2003, когда Европейский Союз в самых решительных выражениях отверг указания Вашингтона по поводу целесообразности сворачивания проекта Galileo - запланированной в Европе собственной, альтернативной GPS, спутниковой системы глобальной навигации.

Ставшая уже для всех привычной и удобной, Global Positioning System хороша почти по всем параметрам - и надежна она, и точна, и бесплатна. Но

© Карасев В.В.

12

13

есть у нее один чрезвычайно существенный минус - единоличный и весьма своенравный хозяин в лице министерства обороны США. Плюс к тому технология позиционирования развита уже настолько, что позволяет хозяину системы избирательно глушить ее работу в любом конкретном географическом регионе планеты. Другими словами, не понравится поведение какой-то страны властям США - и "отключат" они ее от своей GPS, оставив лишь шифрованный сигнал для собственных военных систем навигации и наведения оружия на цель. А потому, наряду с закреплением GPS в качестве общепринятого стандарта, в мире постоянно нарастает и беспокойство правительств, ощущающих, как их стратегическая и экономическая безопасность все больше начинают зависеть от прихотей руководства США. Понятно, что столь откровенная монополия не нравится никому за пределами американских границ, а особенно странам с собственным космическим потенциалом. Так что достаточно реальная угроза оказаться однажды отрезанными от стратегически важной, но чужой военной системы стала главным обстоятельством, подтолкнувшим Европу к созданию собственной аналогичной системы под названием Galileo. Ввод системы Galileo в эксплуатацию намечен только на 2008 г. Это мало влияет на приложения, не связанные с обеспечением безопасности, поскольку они могут основываться на использовании существующей системы GPS. Ответственные приложения не могут ограничиваться только применением GPS, поэтому важно рассмотреть альтернативные решения, которые могут быть реализованы в системах определения местоположения подвижного состава до внедрения Galileo. Стоимость столь масштабного проекта весьма велика - по разным оценкам от 2,5 до 3,5 миллиардов евро, - но живейший интерес к участию в создании Galileo выразили и многие страны других континентов: Канада и Австралия, Индия и Китай, Израиль и Южная Африка. Россия же не только участвует, но и активно пытается сыграть в проекте Galileo более значительную, лидирующую роль. Так что в целом успех предприятия мало у кого вызывает сомнения. Вот только США

© Карасев В.В.

13

14

абсолютно не в восторге от этой европейской инициативы, поскольку американские военные вполне справедливо усматривают в Galileo помеху своему безраздельному господству в спутниковой навигации. В декабре прошлого года Пентагон выступил с самыми резкими возражениями против Galileo, настаивая, что вражеские силы могут воспользоваться гражданской европейской системой для войны против Запада. Дабы не ограничиваться риторикой, заместитель министра обороны США Пол Вольфовиц разослал письмо всем 15 министрам обороны стран Евросоюза с настоятельным призывом повлиять на свои правительства в деле сворачивания проекта Galileo. В качестве основных доводов убеждения были привлечены технические аргументы. В послании Вольфовица, среди прочего, указывалось, что Минобороны США, финансирующее и управляющее системой GPS, в ближайшие годы планирует ее существенную модернизацию и увеличение количества радиочастот для сигналов навигации. Введение же в строй Galileo, по мнению американской, стороны, может помешать работе GPS.

В Европе, надо отметить, не видят в этом никакой технической проблемы, поскольку о разделении частот всегда можно договориться и сделать системы не только не мешающими, но и дополняющими друг друга ко всеобщему удобству и удовольствию. Практически ни у кого нет сомнений, что откровенная неприязнь США к Galileo имеет сугубо политические мотивы. В начале года стало даже создаваться впечатление, что окрик из Вашингтона возымел действие. Так, в январе в прессу стали просачиваться слухи об унынии и разочаровании, воцарившихся, якобы, в Евросоюзе, поскольку из-за мощнейшего давления со стороны США проект Galileo оказался по сути дела торпедирован. Стало известно, что несколько мощнейших членов Евросоюза - Великобритания, Германия и Нидерланды - сильно сомневаются в экономической целесообразности столь дорогостоящего проекта и не хотят вносить свою долю в совместное предприятие. Самую же "про-европейскую" позицию по традиции заняла

© Карасев В.В.

14

15

Франция, президент которой Жак Ширак выразился по поводу происходящего совершенно недвусмысленно, заявив, что если Европа не будет заниматься Galileo и другими космическими проектами, то этот провал "неизбежно приведет к вассальной зависимости [от США], сначала в науке и технике, а затем в промышленности и экономике.

3.2 Совместное использование GPS, Глонасс, Галилео

Наиболее важными предпосылками, обусловливающими необходимость и облегчающими совместное использование СРНС и их интегрирование, служат:

•общность принципов баллистического построения обеих систем (высоты орбит «19-23 тыс. км, наклонение «55-65°, период обращения НКА 11-14 ч и др.);

•общность используемых частотных диапазонов («1560-1605 МГц L1 и «1150-1280 МГц L2 и L5), а также общность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую манипуляцию и псевдослучайные последовательности;

•близость уровней мощностей основных сигналов (-163...-152 дБВт), лежащих ниже уровня собственных шумов;

•общность принципов синхронизации и измерения навигационных параметров;

•близость используемых систем координат;

•практическая одновременность создания и совершенствования ГЛОНАСС и GPS и возможность использования их опыта при разработке Галилео;

•готовность администраций США, России и ЕС предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества.

Как уже отмечалось выше, работы по созданию Галилео осуществляются с использованием опыта GPS и ГЛОНАСС. Так, в космическом эксперименте Протеус для Галилео на НКА "ГЛОНАСС-М"

© Карасев В.В.

15

16

планируется провести: точное определение орбит и шкал времени с учетом совершенствования существующих моделей, оценку стабильности рубидиевых часов Галилео, оценку ошибок определения ПД для узкополосных и широкополосных сигналов Галилео и частоты ошибок при повышенной скорости передачи данных.

Развернуты работы и по оценке совместного оперативного использования Галилео с существующими системами. Необходимо, однако, заметить, что требование совместной работы с GPS и ГЛОНАСС изначально было основным при обосновании Галилео. Отмечается, что общие номиналы центральных частот 1575,42 МГц для L1 и Е1-Е2 и 1176,45 МГц для L5 и Е5а облегчат использование потребителями перспективной GNSS. Так, в [15] предложен усовершенствованный алгоритм RAIM, использующий сегменты GPS и Галилео, позволяющий получить лучшие характеристики контроля целостности.

В пользу интеграции GPS и Галилео высказываются производители автомобилей [16]. Необходимо указать, что частичное использование Галилео с GPS или ГЛОНАСС уже начинается с использованием EGNOS, как составной части Галилео. Соответствующая аппаратура уже создана.

3.3Оценка надёжности работы навигационных систем.

Если нам известна геометрия спутникового созвездия и точность измерения псевдодальностей, мы можем оценить точность определения координат и надёжность GNSS системы. Так как нам не нужно выполнять реальных измерений для того, чтобы выполнить данные расчёты, то точность

инадёжность GNSS можно с лёгкостью проверить на симуляторе.

Таблица 2.1 Параметры модели систем GPS и Galileo (по одной частоте)

использованные в расчётах

	Параметры	GPS модель	Galileo модель
		(реальные данные)
	Кол-во спутников	27	30
	Кол-во орбитальных	6	3

© Карасев В.В.

16

17

	Параметры	GPS модель	Galileo модель
		(реальные данные)
	плоскостей
	Разделение спутников по	Неравномерное	Равномерное
	орбитальным плоскостям
	Наклон орбитальных	53 - 56°	54°
	плоскостей
	Радиус орбиты	26561.75 км	29378.137 км
	Используемая частота	L1 (1575.42 МГц)	E1 (1575.42 МГц)

До тех пор пока окончательный дизайн системы Galileo окончательно не утверждён, мы вынуждены сделать некоторые предположения о максимально возможной конфигурации системы. Несмотря на то, что два дополнительных гражданских сигнала станут доступны в ближайшем времени на Galileo и новых GPS спутниках, наш анализ сфокусирован в основном на главных частотах L1/E1 (центрированных на 1575.42 МГц). К вопросу о преимуществах второго и третьего гражданского сигнала мы сможем вернуться после их ввода в эксплуатацию.

Спутники системы Galileo будут размещены в трёх орбитальных плоскостях. Мы предположили, что размещение этих плоскостей будет находиться в 0, 120 и 240° по прямому восхождению (выбрано нами произвольно). В то же время для GPS созвездия взяты точные значения. Равномерное размещение орбитальных плоскостей системы Galileo между орбитами GPS спутников, безусловно предпочтительно, что обеспечит максимальное распределение спутников на небесной сфере и обеспечит наилучшую геометрию группировки. Однако на самом деле ситуация будет выглядеть более сложно, так как спутники двух систем имеют разные высоты орбит.

3.4 Перспективы использования GPS

Уже начиная с 1993 года различные государственные и научные организации США ведут исследования касательно перспектив использования

© Карасев В.В.

17

18

GPS. В результате в 1993 г. был выпущен совместный документ Министерства обороны (МО) США и Министерства транспорта (МТ) США “Использование GPS для решения военных и гражданских задач”. В документе подчеркивается:

•финансирование всей системы будет продолжать осуществляться из бюджета МО США;

•развитие гражданских приложений будет финансироваться МТ США;

•предполагается развивать глобальные сети дифференциальных поправок DGPS (что сейчас очень активно делается);

•развитие общественных сетей DGPS будет финансироваться государственным бюджетом, а приватные сети поддерживаться не будут;

•предполагается расширить комплекс мероприятий по дальнейшему использованию GPS в целях мирового сообщества.

Висследование вопросов перспектив использования GPS включились также Национальная Академия государственного управления (NAPA - National Academy of Public Administration) и Национальный совет по научным исследованиям (NRC - National Research Council). Первая организация изучала политические вопросы использования GPS, а вторая - технические. По заказу Конгресса США были выработаны соответствующие рекомендации.

Основные NAPA рекомендации:

•Президент США должен четко определить политическую линию руководства страны в отношении дальнейшего использования GPS;

•США должны гарантировать, что и в дальнейшем использование GPS будет бесплатным.

США должны обеспечить возможность более широкого использования GPS мировым сообществом.

Основные рекомендации NRC:

© Карасев В.В.

18

19

•Режим AS нужно оставить, но распространение криптографических ключей должно выполняться электронным способом. Для этого нужно усовершенствовать метод электронного шифрования сигналов;

•Направления развития системы для военных пользователей:

•Приемники нового типа должны иметь возможность осуществлять захват сигнала сразу по Y- коду (без предварительного захвата сигнала С/А - кода, поскольку в военное время этот сигнал будет заглушаться);

•Необходимо разработать эффективные и доступные по цене антенны и антенную электронику, которые позволят повысить устойчивость системы к помехам;

•Целесообразно использовать комплексированные навигационные системы с GPS - коррекцией, что обеспечит повышение точности и помехоустойчивости навигации;

•Приемники военного применения должны иметь возможность компенсировать ионосферную погрешность в условиях глушения сигнала гражданской частоты L1. Для этого необходимо

совершенствовать программное обеспечение приемников. Направления развития системы для коммерческих и иных применений:

•Сигналы новых модификаций спутников класса Block II-R будут моделироваться третьей частотой L3;

•Информация об орбитах спутников будет корректироваться более часто, что повысит точность навигационных определений. Предполагается снятие 48-часового эмбарго на распространение информации о точных орбитах;

•Сеть наземных станций слежения будет расширена. Эти станции разместятся на авиабазах МО США либо на базах Топографической

службы МО США (DMA).

Администрация Б.Клинтона 29 марта 1996 года выступила со специальным заявлением о перспективах развития GPS. В ближайшее время будут сделаны следующие шаги по совершенствованию этой системы:

© Карасев В.В.

19

20

На протяжении следующего десятилетия будут сняты все военные ограничения на использование GPS. Вместо этого планируется разработать другие меры защиты национальных интересов США в отношении применения GPS (пока неизвестно, какие).

Предполагается увеличить в 4 раза капиталовложения в систему и довести годовой оборот рынка GPSоборудования до 8 млрд. дол. Это позволит к 2000 году создать только в США около 100 тыс. дополнительных рабочих мест.

Даже простейшие бытовые GPSприемники уже в недалеком будущем обеспечат возможность определения местоположения с точностью 1 м.

3.5 Развитие Системы GPS

Сообщается о выделении 400 млн. долларов в течении 6 лет на мероприятия по модернизации GPS. Предполагается обеспечение передачи НКА с 2003 г. Второго открытого сигнала на частоте L2 1227,6 МГц наряду с излучением военного сигнала на этой частоте. Этот сигнал может использоваться в гражданских применениях, не критических с точки зрения безопасности. Решено также начать работы по обеспечению излучения третьего гражданского сигнала на частоте 1176,45 МГц (аэронавигационный диапазон) для применений, критических с точки зрения обеспечения безопасности (например, в авиации). Такой сигнал может появиться в 2005 году. Доступность этих сигналов для их реального использования будет зависеть от запусков НКА и их состояния на орбитах.

К числу других направлений совершенствования системы GPS по материалам [MacDonald K.D. Performance Improvements to GPS in the Decade 2000-2010: The impact of GPS. of the 55th Annual Meeting, June 28-30, 1999, Cambridge, MA]. относятся:

Замена существующих НКА БЛОК-II (А) на НКА Блок II R. ВВС США заключили с фирмой Lockheed Martin контракт на изготовление более 17 таких НКА.

© Карасев В.В.

20

21

Разработка и изготовление новых более совершенных космических платформ-навигационных космических аппаратов Блок II F, на создания первых НКА заключён контракт с фирмой Boeing (ранее c фирмой

Rockwell), а затемGPS III.

Возможное увеличение на 6-12 НКА общего числа спутников в орбитальной группировке и доведение его до 30-36.

Реализации передачи с НКА Блок II F (GPS III) упомянутых выше двух новых гражданских навигационных сигналов в диапазонах L2 (частота 1227,6 МГц) и L5 (частота 1176,45 МГц) в соответствии с заявлением вицепрезидента США А. Гора 25.1.99 г. и др.,

Разработка и реализация новой структуры гражданского сигнала в диапазоне L5 на основе F кодов с полосой 24 МГц (предполагается длина кода от 4000 до 10230 бит при скорости передачи 10,23 Мбит/с), и военного сигнала в диапазонах L1 и L2 на основне М- кодов занимающих ту же полосу, что и сигналы с кодом P(Y).

Снижение систематических ошибок в навигационных определениях за счёт повышения точности эфемеридного и временного обеспечения сегмента управления благодаря вводу 8 новых наземных станций мониторинга

(National Imagery and Mapping Agency, NIMA) и совершенствованию программного обеспечения наземных средств обработки результатов измерения.

Увеличения доступности и мощности передаваемых сигналов (с М- кодами).

Реализация с запуском НКА Блок-II R (GPS III) межспутниковых линий связи и измерений и доведение на этой основе автономности GPS в целом до полугода и лучше.

Реализация и использования дополнений (дифференциальных подсистем).

Использование новых частот позволит существенно повысить точность и надёжность навигационных определений, нечувствительность их к

© Карасев В.В.

21