У світі існує кілька глобальних систем супутникової навігації, які гармонійно доповнюють один одного: американська GPS, російська ГЛОНАСС, європейська Galileo і китайська Beidou. Влаштовані глобальні навігаційні системи за одним подібним принципом. Вони об'єднують комплекси наземного та космічного обладнання для позиціонування у просторі та часі, на підставі чого здійснюється визначення місця розташування, швидкості, напряму та інших параметрів руху об'єкта.

Принцип роботи систем навігації зав'язаний на вимірі відстані від супутників на орбіті, місцезнаходження яких достовірно відоме з великою точністю, до антени пристрою, що приймає. Кожен супутник випромінює сигнали точного часу, використовуючи атомний годинник, синхронізований із системним часом. У ході прийому сигналу від орбітальних супутників обчислюється затримка між часом випромінювання сигналу і його прийому антеною кінцевого пристрою. За цією інформацією приймач обчислює координати антени. Переміщення об'єкта обчислюються на основі вимірювання часу, що витрачається на пересування між двома або більшими точками з визначеними за попередніми обчисленнями координатами.

Точне позиціонування у просторі забезпечується за умови отримання сигналу хоча б від трьох супутників одночасно.

Для точного позиціонування в просторі антена приймача має отримувати сигнал хоча б від трьох супутників відразу, а краще від чотирьох. Тріо супутників передають дані про своє місцезнаходження щодо Землі та один одного, четвертий – фіксує час проходження сигналу від передавача до приймача. Оскільки супутники постійно перебувають у русі, їх траєкторію відстежують наземні станції. Актуальна інформація надсилається на гаджети в альманахах - бібліотеках з найточнішими відомостями про місцезнаходження всіх доступних супутників. Оновлюються альманахи через мобільні мережі або Wi-Fi, що в рази скорочує тривалість «холодного старту» систем навігації.

Спочатку супутникові системи навігації були військовими розробками. Під контролем військових відомств багато хто з них залишається і досі. Першою загальнодоступною системою навігації стала американська GPS. Власне слова «навігація» і «GPS» довго сприймалися як синоніми.

Популярні туристичні навігатори

GPS

Розробкою проєкту NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) зайнялося Міністерство оборони США у 70-х роках минулого сторіччя. Перший супутник системи запустили на орбіту в 1974 році, а за наступні 20 років у космос вивели всю необхідну кількість супутників для коректної роботи системи (24 прим.). Навігаційну систему GPS (The Global Positioning System) відкрили для цивільних потреб, проте, щоб уникнути її військового застосування противниками, точність системи примусово зменшили спеціальними алгоритмами приблизно до 100 м. Більшість обмежень зняли лише до початку третього тисячоліття.

Система навігації GPS складається з 32 супутників, які обертаються навколо Землі круговими орбітами в шести різних площинах. Усі супутники розташовані на орбіті добової кратності – 20 200 км над рівнем моря. Як результат, у будь-якій точці планети завжди спостерігається не менше чотирьох супутників у будь-який момент часу (зазвичай одночасно видно від 4 до 12 супутників). Кожні 30 секунд супутник передає радіосигнали на частоті 1575.42 МГц, в яких містяться відомості про положення супутника в просторі, інформація про якість сигналу, похибка супутникового годинника та коефіцієнти моделі іоносфери.

Супутники системи GPS обертаються навколо планети у шести різних площинах на орбіті добової кратності – 20 200 км над рівнем моря.

Підвищити точність визначення координат мають наземні станції, які передають поправки для диференціального режиму: WAAS на території США та Канади, EGNOS — у європейських країнах. Стандартні приймачі фіксують розташування з точністю кілька метрів, нові мають точність до кількох сантиметрів.

Ранні версії GPS мали довгий час так званого холодного старту. Це зумовлювалося необхідністю передачі прийомний пристрій альманаху (астрономічного календаря) і цілого купу супутніх коригувань. Проблему вирішила допоміжна система GPS (Assisted GPS). Пристрої з нею можуть отримувати службову інформацію від найближчої базової станції оператора стільникового зв'язку, що позбавляє гаджети необхідності підтримки прямого зв'язку з супутниками і в кілька разів зменшує час запуску навігації (буквально за кілька секунд).

Наочний принцип, як улаштована технологія aGPS: 1 - супутники GPS; 2 - GPS-сигнали; 3 - допоміжні сигнали; 4 - вишка операту зв'язку; 5 - мобільний гаджет.

Також у сучасних модулях навігації зустрічається технологія Dual GPS. Приймачі з її підтримкою працюють не на одній частоті як традиційні аналоги, а на двох (L1 + L5). Подібний формат помітно підвищує точність позиціонування - в окремих випадках до 10-20 см. Dual GPS дозволяє коректно обробляти сигнали, відбиті від висотних будівель за умов щільної міської забудови. Відзначимо, що повноцінна підтримка L5 є в європейській системі Galileo, в GPS таке мовлення здійснює лише половина супутників, а в системі ГЛОНАСС воно очікується зовсім не раніше 2030 року.

Протиударні телефони

ГЛОНАСС

Російську радіонавігаційну супутникову систему ГЛОНАСС почали розробляти ще за часів СРСР у 1970-х роках. Літні випробування системи стартували 1982 року із запуском на орбіту першого супутника. Повне угруповання з 24 супутників вдалося розгорнути ближче до 1995 року. Однак через проблеми з фінансуванням і коротким експлуатаційним ресурсом космічних апаратів вже до 2001 року кількість супутників, що працюють, скоротилася до шести.

Ситуацію вдалося переламати в середині «нульових», а про завершення створення системи навігації ГЛОНАСС оголосили під завісу 2015 року. Її основою є 24 активні супутники, які обертаються на середній висоті 19100 км над поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах. По кожній орбіті рухаються 8 рівномірно розподілених супутників. Також у системі ГЛОНАСС передбачені резервні космічні апарати.

Цілісне угрупування супутників ГЛОНАСС сформоване з 24 активних космічних апаратів.

Супутники системи передають радіовипромінювання двох типів: навігаційний сигнал діапазону L1 та навігаційний сигнал високої точності в діапазонах L2 та L3. Похибки при визначенні розташування складають близько 3-6 м, а з коригуваннями - до 1 м. Важливою особливістю ГЛОНАСС є можливість застосування навігаційної системи на високих широтах у північних та південних полярних регіонах, де сигнал GPS ловить погано.

Galileo

Galileo — європейська супутникова система навігації, створена як альтернатива американській GPS та російській ГЛОНАСС. Примітно, що вона перебуває під контролем цивільних відомств. При повній флотилії з 24 активних супутників система дає точність до 1 м у публічному режимі та до 20 см із сервісом GHA. Всього на орбіті знаходяться 30 супутників системи Galileo (6 космічних апаратів перебувають у гарячому резерві).

Орбіти супутників європейської системи навігації Galileo.

Супутники Galileo обертаються у трьох орбітальних площинах на висоті 23 222 км над поверхнею планети. На кожній з орбіт при повному розгортанні системи знаходиться по 8 діючих та 2 резервних супутника. Ця конфігурація угруповання забезпечує одночасну видимість будь-якої точки земної кулі принаймні чотирьох апаратів.

У перспективі супутники системи Galileo зможуть передавати сигнали тривоги користувачів регіональним рятувально-координаційним центрам. При цьому буде передбачено зворотний зв'язок — підтвердження отримання повідомлень про тривожні ситуації.

Цікавий факт. Функцію супутникового зв'язку для надсилання екстрених повідомлень рятувальним службам у місцях з відсутністю покриття традиційного стільникового зв'язку впровадили на всю лінійку 14-х «Айфонів» від Apple.

Beidou

2020 року створення глобального покриття завершилося для китайської навігаційної системи Beidou. Її супутникова флотилія налічує 48 космічних апаратів, у роботі перебувають 35 супутників. Розміщуються супутники на трьох орбітах: середньої кругової, геостаціонарної, геосинхронної високої похилої.

Стенд із візуалізацією принципів будови глобальної навігаційної супутникової системи Beidou.

Прагнення Піднебесної до створення власної супутникової навігаційної системи обумовлено бажанням набути незалежності від США та її системи GPS. Точність позиціонування Beidou для цивільного населення становить менше 10 метрів, а точність вимірювання швидкості сягає близько 0.2 метри на секунду.

Інші регіональні системи

Окремі країни розвивають власні навігаційні системи. На глобальний рівень вони поки не вийшли, проте як регіональні навігаційні системи вже працюють IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) в Індії, а також QZSS (Quazi-Zenith Satellite System) в Японії та країнах Азіатсько-Тихоокеанського регіону.

Працюючи разом один з одним в єдиній синергії, різні навігаційні системи забезпечує більш точне вимірювання розташування, особливо в густонаселених районах та великих мегаполісах, де сигнал багаторазово відбивається від високих споруд. Сучасні гаджети часто підтримують роботу з усіма відомими супутниковими системами, завдяки чому навігація стає точніше буквально з кожним днем.