Навигация (лат. navigatio, от navigo – плыть на судне) – слово, которое пришло из морского транспорта, где этот термин имеет ряд значений (мореплавание, судоходство; период времени в году; основной раздел судовождения), где разрабатываются теоретические обоснования и практические приемы вождения судов. Существует также навигация воздуха.
База современной навигации заложена на основе:
- — изобретения магнитной стрелки для определения курса судна;
- — составление топографических карт в прямой равноугольные цилиндрической проекции;
- — изобретения механического лага;
- — развития физики и создания навигационных приборов и радиотехнических средств судовождения
- — математических и навигационных наук.
Сегодня совместной работой научных учреждений созданы Системы Реализации Навигационных Вычислений (СРНВ). Их основной операцией является определение пространственно-временных координат, что предусмотрено концепцией независимой навигации, согласно которой, определение навигационных параметров должно проводиться непосредственно в аппаратуре потребителя. Это системы типа GPS или ГЛОНАСС, где перечень характеристик подсистем, структуры и способа функционирования определяют:
- — необходимое качество навигационного обеспечения:
- — выбранная концепция навигационных измерений.
Такие свойства качества СРНВ, как непрерывность и высокая точность навигации требуют от СРНВ обязательного наличия трех составляющих:
- 1 – система космических аппаратов в виде сети навигационных спутников:
- 2 – система контроля и управления в виде наземных командно — измерительных комплексов:
- 3 – аппаратура потребителя или «приемника».
Поэтому СРНВ в целом – это комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и так далее) для наземных, водных и воздушных объектов. Ее основными элементами являются:
- — орбитальная группировка, состоящая из нескольких (2…30од.) спутников, излучающих специальные радиосигналы (космический сегмент):
- — опционно-наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат:
- — наземная система управления и контроля (контрольный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
- — опционально-информационная радиосистема для передачи пользователям поправок. позволяющих значительно повысить точность определения координат.
- — приемное клиентское оборудование («спутниковые навигаторы»), используемое для определения координат, то есть сегмент предназначен для пользователя;
Например, система GPS (официальное название – NA VSTAR), имеет следующие характеристики основных составляющих:
- 1 – орбитальная группировка из 24од. (+ 3од. резервных) спутников Block И Block II/II-A, Block II-R и Block II-М., вращающиеся на 6-ти орбитах с удалением от Земли на 17000км, где вес каждого спутника – 900кг, диаметр с раскрытыми солнечными батареями – 5м, а мощность передатчика – 50Ват;
- 2 – наземный сегмент из 6-ти ед. контрольных станций отслеживания, принадлежащих национальному управлению картографии США (N1MA) и 5-ти ед. контрольных станций отслеживания и главной станции управления, принадлежащих Министерству обороны США, расположенных в различных точках Земли;
- 3 – аппаратура пользователя, которая имеет разную стоимость, работает в полосе радиочастот L-диапазона от 390 до 1580МГц и имеет в своем распоряжении сигналы двух частот (LI – частота 1575,42 МГц; L2 – частота 1227,6 МГц).
На частоте L2 излучаются сигналы высокоточной информации с защищенным военным кодом P (precision – точный). На L1 – сигналы как с военным кодом P, так и с общедоступным гражданским кодом (civilian code), который называют C/A(Clear Acquisition), код свободного доступа. Кстати, навигация тойота доступна для покупки на страницах нашего специализированного сайта.
Современный уровень электроники, ПРОГРАММНОГО обеспечения и методов обработки навигационной информации на основе автоматического наземного режима дифференциальной коррекции (differential positioning) обеспечивает точность определения координат для потребителя:
- — от 2 до 5м в системах гражданских;
- — от 1 до 10мм в военных системах.
Российско навигационная система ГЛОНАСС – аналогичная по своей построении американской, однако имеет более высокую точность определения координат потребителя. Она состоит из 24од. спутников, расположенных на орбитах, которые наклонены под углом 64,80° и удаленные от Земли на расстоянии 19100км. Вес спутников «ГЛОНАСС-М» – 1415 кг, а «ГЛОНАСС-К» -850кг.
Европейская система Galileo изначально предназначалась только для гражданских целей, но принята в 2008г. резолюция Евросоюза «Значение космоса для безопасности Европы» допускает использование спутниковых сигналов для некоторых военных операций. Сегодня это 27од. (+Зод. резервных) спутников и три наземные центры управления.
Китайская система космической радионавигации Beidou также предназначена для военных и гражданских целей, а ее отличительной особенностью является предоставление потребителям важной коммерческой услуги – обмена между собой небольшими текстовыми сообщениями. Beidou состоит из ЗОод. спутников, расположенных на наклонных орбитах и 5-од. на геостационарной орбите. Одним из первых глобальных транспортных проектов системы Beidou в гражданских целях был контроль дорожного движения во время проведения «Олимпиады-2008 в Пекине.
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом», который имеет в своем распоряжении каждый спутниковый приемник до начала измерений. Приемник сохраняет альманах » в своей памяти со времени последнего выключения и если «альманах» не устарел, то мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах». Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определении скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизировано с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, что содержится в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляется на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определенными координатами.