ДЗЗ в застосуванні навігаційних систем. орбітальні пілігрими

Розмір: px

Починати показ зі сторінки:

транскрипт

1 Тема 2.3. Застосування дистанційного зондування Землі і супутникової навігації в нафтогазовій галузі Метод дистанційного зондування Землі: характеристики і гідності Отримання і обробка даних для ГІС найбільш важливий і трудомісткий етап створення подібних інформаційних систем. В даний час найбільш перспективним і економічно доцільним вважається метод отримання даних про об'єкти на основі даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та GPS-вимірів. У широкому сенсі дистанційне зондування це отримання будь-якими неконтактними методами інформації про поверхні Землі, об'єктах на ній або в її надрах. Традиційно до даних дистанційного зондування відносять тільки ті методи, які дозволяють отримати з космосу або з повітря зображення земної поверхні в будь-яких ділянках електромагнітного спектра. Існує кілька видів зйомки, що використовують специфічні властивості випромінювань з різними довжинами хвиль. При проведенні географічного аналізу, крім власне ДЗЗ, обов'язково використовуються просторові даних з інших джерел цифрові топографічні і тематичні карти, схеми інфраструктури, зовнішні бази даних. Знімки дозволяють не тільки виявляти різні явища і об'єкти, але і оцінювати їх кількісно. Переваги методу дистанційного зондування Землі полягає в наступному: актуальність даних на момент зйомки (більшість картографічних матеріалів безнадійно застаріли); висока оперативність отримання даних; висока точність обробки даних за рахунок застосування GPS технологій; висока інформативність (застосування спектрозональной, інфрачервоної і радарної зйомки дозволяє побачити деталі, які не помітні на звичайних знімках); економічна доцільність (витрати на отримання інформації за допомогою ДЗЗ істотно нижче наземних польових робіт); можливість отримання тривимірної моделі місцевості (матриці рельєфу) за рахунок використання стереорежимі або лідарних методів зондування та, як наслідок, можливість проводити тривимірне моделювання ділянки земної поверхні (системи віртуальної реальності). Дистанційні методи характеризуються тим, що реєструючий прилад значно віддалений від досліджуваного об'єкта. При таких дослідженнях явищ і процесів на земній поверхні відстані до об'єктів можуть вимірюватися від одиниць до тисяч кілометрів. Ця обставина забезпечує необхідний огляд поверхні і дозволяє отримувати максимально генералізовані зображення. Існують різні класифікації ДЗЗ. Відзначимо найбільш важливі з точки зору практичного збору даних в нафтогазовій галузі. Реєструватися може власне випромінювання об'єктів і відбите випромінювання інших джерел. Цими джерелами можуть бути Сонце або сама знімальна апаратура. В останньому випадку використовується когерентне випромінювання (радари, сонари і лазери), що дозволяє реєструвати не тільки інтенсивність випромінювання, але також і його поляризацію, фазу і доплеровское зміщення, що дає додаткову інформацію. Зрозуміло, що робота самоізлучающіх (активних) сенсорів не залежить від часу доби, але зате вимагає значних витрат енергії. Таким чином, види зондування за джерелом сигналу: активне (вимушене випромінювання об'єктів, ініційоване штучним джерелом направленої дії); пасивне (власне, природне відбите або вторинне теплове випромінювання об'єктів на поверхні Землі, обумовлене сонячною активністю). Знімальна апаратура може розміщуватися на різних платформах. Платформою може бути космічний апарат (КА, супутник), літак, вертоліт і навіть проста тринога. У по- 1

2 останньому випадку ми маємо справу з наземної зйомкою бічних сторін об'єктів (наприклад, для архітектурних і реставраційних завдань) або похилій зйомкою з природних або штучних висотних об'єктів. Третій вид платформи не розглядається в силу того, що він відноситься до спеціальностей, далеким від тієї, для якої написані дані лекції. На одній платформі може розміщуватися кілька знімальних пристроїв, званих інструментами або сенсорами, що зазвичай для КА. Наприклад, супутники Ресурс-О1 несуть сенсори МСУ-Е і МСУ-СК, а супутники SPOT по два однакових сенсора HRV (SPOT-4 HRVIR). Зрозуміло, що чим далі знаходиться платформа з сенсором від досліджуваного об'єкта, тим більший радіус дії і меншу деталізацію матимуть одержувані зображення. Тому в даний час виділяють наступні види зйомки для отримання даних дистанційного зондування: 1. Космічна зйомка (фотографічна або оптико-електронна): панхроматичному (частіше в одному широкому видимій ділянці спектра) найпростіший приклад чорно-біла зйомка; кольорова (зйомка в декількох, частіше реальних кольорах на одному носії); багатозональна (одночасна, але роздільна фіксація зображення в різних зонах спектра); радарна (радіолокаційна); 2. Аерофотозйомка (фотографічна або оптико-електронна): ті ж види ДЗЗ, що і в космічній зйомці; лідарного (лазерна). Обидва види зйомки знаходять широке застосування в нафтогазовій галузі при створенні ГІС підприємства, при цьому кожен з них займає свою нішу. Космічна зйомка (КС), має меншу роздільну здатність (від 30 до 1 м в залежності від типу зйомки і типу космічного апарату), але за рахунок цього охоплює великі простори. Космічна зйомка використовується для зйомки великих площ з метою отримання оперативної та актуальної інформації про район передбачуваних геологорозвідувальних робіт, базової підоснови для створення глобальної ГІС на район розробки корисних копалин, екологічного моніторингу нафтових розливів і т.п. При цьому використовується як звичайна монохромна (чорно-біла зйомка), так і спектрозональних. Аерофотозйомка (АФС), дозволяє отримувати зображення більш високої роздільної здатності (від 1-2 м до 5-7 см). Аерофотозйомка використовується для отримання високо детальних матеріалів для вирішення завдань земельного кадастру стосовно орендованих ділянках видобутку корисних копалин, обліку та управління майном. Крім того, використання аерофотозйомки на сьогоднішній день представляється оптимальним варіантом отримання даних для створення ГІС на лінійно-протяжні об'єкти (нафто-, газопроводи і т.д. ) За рахунок можливості застосування «коридорній» зйомки. Характеристики знімків (і АФС, і КС), тобто можливість виявити і виміряти ту чи іншу явище, об'єкт або процес залежать від характеристик сенсорів відповідно. Головною характеристикою є роздільна здатність. Системи ДЗЗ характеризуються декількома видами дозволів: просторовим, спектральним, радіометричним і тимчасовим. Під терміном «дозвіл» зазвичай мається на увазі просторову роздільну здатність. Просторова роздільна здатність (рисунок 1) характеризує розмір найменших об'єктів, помітних на зображенні. Залежно від розв'язуваних завдань, можуть використовуватися дані низького (понад 100 м), середнього (м) і високого (менше 10 м) дозволів. Записів низька просторового дозволу є оглядовими і дозволяють одномоментно охоплювати значні території аж до цілого півкулі. Такі дані використовуються найчастіше в метеорології, при моніторингу лісових пожеж та інших масштабних природних лих. Знімки середнього просторового дозволу на сьогодні основне джерело даних для моніторингу природного середовища. Супутники зі знімальною апаратурою, що працює в цьому діапазоні просторових дозволів, запускалися і запускаються багатьма країнами Росією, США, Францією і ін., Що забезпечує сталість і безперервність спостереження. Зйомка ви- 2

3 сокого дозволу з космосу до недавнього часу велася майже виключно в інтересах військової розвідки, а з повітря з метою топографічного картографування. Однак сьогодні вже є кілька комерційно доступних космічних сенсорів з високою роздільною здатністю (КВР- 1000, IRS, IKONOS), що дозволяють проводити просторовий аналіз з більшою точністю або уточнювати результати аналізу при середньому або низькому дозволі. Малюнок 1. Приклади аерофотознімків різного просторового дозволу: 0,6 м (вгорі), 2 і 6 м (внизу) Спектральний дозвіл вказує на те, які ділянки спектра електромагнітних хвиль (ЕМХ) реєструються сенсором. При аналізі природного середовища, наприклад, для екологічного моніторингу, цей параметр найбільш важливий. Умовно весь діапазон довжин хвиль, використовуваних в ДЗЗ, можна поділити на три ділянки радіохвилі, теплове випромінювання (ІК-випромінювання) і видиме світло. Такий поділ обумовлено розходженням взаємодії електромагнітних хвиль і земної поверхні, відмінністю в процесах, що визначають відображення і випромінювання ЕМВ. Найбільш часто використовуваний діапазон ЕМВ видиме світло і примикає до нього короткохвильове ІК-випромінювання. У цьому діапазоні відображена сонячна радіація несе в собі інформацію, головним чином, про хімічний склад поверхні. Подібно до того, як людське око розрізняє речовини за кольором, сенсор дистанційного зондування фіксує «колір» в більш широкому розумінні цього слова. У той час як людське око реєструє лише три ділянки (зони) електромагнітного спектра, сучасні сенсори здатні розрізняти десятки і сотні таких зон, що дозволяє надійно виявляти об'єкти і явища за їх заздалегідь відомим спектрограмах. Для багатьох практичних завдань така детальність потрібна не завжди. Якщо об'єкти, що цікавлять відомі заздалегідь, можна вибрати невелике число спектральних зон, в яких вони будуть найбільш помітні. Так, наприклад, ближній ІЧ-діапазон дуже ефективний в оцінці стану рослинності, визначенні ступеня її гноблення. Для більшості додатків достатній обсяг інформації дає багатозональна зйомка зі супутників LANDSAT (США), SPOT (Франція), Ресурс-О (Росія). Для успішного проведення зйомки в цьому діапазоні довжин хвиль необхідні сонячне світло і ясна погода. Зазвичай оптична зйомка ведеться або відразу у всьому видимому діапазоні (панхроматичному), або в декількох більш вузьких зонах спектра (багатозональна). За інших рівних 3

4 умовах, панхроматические знімки мають більш високим просторовим дозволом. Вони найбільш придатні для топографічних завдань і для уточнення меж об'єктів, що виділяються на багатозональних знімках меншого просторового дозволу. Теплове ІК-випромінювання (малюнок 2) несе інформацію, в основному, про температуру поверхні. Крім прямого визначення температурних режимів видимих ​​об'єктів і явищ (як природних, так і штучних), теплові знімки дозволяють побічно виявляти те, що приховано під землею підземні річки, трубопроводи тощо Оскільки теплове випромінювання створюється самими об'єктами, для отримання знімків не потрібно сонячне світло (він навіть, скоріше, заважає). Такі знімки дозволяють відслідковувати динаміку лісових пожеж, нафтові і газові факели, процеси підземної ерозії. Слід зазначити, що отримання космічних теплових знімків високого просторового дозволу технічно важко, тому сьогодні доступні знімки з роздільною здатністю близько 100 м. Багато корисної інформації дає також теплова зйомка з літаків. Малюнок 2. Аерознімок нафтобази в діапазоні видимого світла (зліва) і нічний теплової знімок в ІК-діапазоні тій же території (праворуч) сантиметрового діапазону радіохвиль використовується для радарної зйомки. Найважливіша перевага знімків цього класу в їх всепогодности. Оскільки радар реєструє власне, відбите земною поверхнею, випромінювання, для його роботи не потрібно сонячне світло. Крім того, радіохвилі цього діапазону вільно проходять через суцільну хмарність і навіть здатні проникати на деяку глибину в грунт. Відображення сантиметрових радіохвиль від поверхні визначається її текстурою ( «шорсткістю») і наявністю на ній усіляких плівок. Так, наприклад, радари здатні фіксувати наявність нафтової плівки товщиною 50 мкм (рисунок 3) і більш на поверхні водойм навіть при значному хвилюванні. В принципі, радарна зйомка з літаків здатна виявляти підземні об'єкти, наприклад, трубопроводи та витоку з них. Малюнок 3. Радарний знімок нафтової плями на поверхні води 4

5 Радіометричне дозвіл визначає діапазон помітних на знімку яскравості. Більшість сенсорів мають радіометричним дозволом 6 або 8 біт, що найближче до миттєвого динамічному діапазону зору людини. Але є сенсори і з більш високим радіометричним дозволом (10 біт для AVHRR і 11 біт для IKONOS), що дозволяє розрізняти більше деталей на дуже яскравих або дуже темних областях знімка. Це важливо у випадках зйомки об'єктів, що знаходяться в тіні, а також коли на знімку одночасно знаходяться великі водні поверхні і суша. Крім того, такі сенсори, як AVHRR мають радіометричну калібрування, що дозволяє проводити точні кількісні вимірювання. Нарешті, тимчасовий дозвіл визначає, з якою періодичністю один і той же сенсор може знімати деякий ділянка земної поверхні. Цей параметр дуже важливий для моніторингу надзвичайних ситуацій та інших швидко розвиваються явищ. Більшість супутників (точніше, їх родин) забезпечують повторну зйомку через кілька днів, деякі через кілька годин. У критичних випадках для щоденного спостереження можуть використовуватися знімки з різних супутників, проте, потрібно мати на увазі, що замовлення і доставка самі по собі можуть зажадати чималого часу. Одним з варіантів вирішення є придбання приймальні станції, що дозволяє приймати дані безпосередньо з супутника. Це зручне рішення для ведення постійного моніторингу використовується деякими організаціями на території Росії, що володіють прийомними станціями даних із супутників Ресурс-О. Для відстеження змін на будь-якої території важлива також можливість отримання архівних (ретроспективних) знімків. У таблиці 1 наведені короткі характеристики основних типів космічних апаратів дистанційного зондування Землі комерційного використання, застосування яких можливо для вирішення завдань по створенню та оновленню ГІС підприємств нафтогазового комплексу. Таблиця 1 Короткі характеристики космічних апаратів для отримання даних дистанційного зондування Землі комерційного використання Назва КА Дозвіл Дозвіл багатозональне Розмір кадру Країна панхроматичному QuickBird 2 0,61 м 2,44 м 16 х 16 км США Iconos 2 1 м 4 м 11 х 11 км США EROS A1 1,8 м - 12,5 х 12,5 км США КВР м - 40 х 40 км Росія Spot 5 5 м (2,5 м) 10 м 60 х 60 км Франція ТК м х 300 км Росія Landsat 7 15 м 30 м 170 х 185 км США Крім того, ДЗЗ можуть класифікуватися по різними видами дозволу і охоплення, за типом носія даних (фотографічні і цифрові), за принципом роботи сенсора (фотоефект, піроефект і ін. ), За способом формування (розгортки) зображення, за спеціальними можливостями (стереорежим, складна геометрія зйомки), за типом орбіти, з якої виробляється зйомка, і т.д. Для прийому та обробки даних ДЗЗ з космічних апаратів використовуються наземні комплекси прийому і обробки даних (НКПОД). До складу базової конфігурації НКПОД входять (малюнок 4): антенний комплекс; приймальний комплекс; комплекс синхронізації, реєстрації та структурного відновлення; програмний комплекс. 5

6 Малюнок 4. Склад наземного комплексу прийому і обробки даних НКПОД забезпечує: формування заявок на планування зйомки земної поверхні і прийому даних; розпакування інформації з сортуванням по маршрутам і виділенням масивів відеоінформації та службової інформації; відновлення рядково-лінійної структури відеоінформації, декодування, радіометричну корекцію, фільтрацію, перетворення динамічного діапазону, формування оглядового зображення і виконання інших операцій цифрової первинної обробки; аналіз якості отриманих зображень з використанням експертних і програмних методів; каталогізацію і архівацію інформації; геометричну корекцію і геопривязку зображень з використанням даних про параметри кутового і лінійного руху космічних апаратів і / або опорних точок на місцевості; ліцензійний доступ до даних, одержуваних з багатьох зарубіжних супутників ДЗЗ. Апаратна складова НКПОД працює в тісному взаємозв'язку з програмним комплексом. Програмне забезпечення для управління антенних і прийомним комплексом виконує наступні основні функції: автоматичну перевірку функціонування апаратної частини НКПОД; розрахунок розкладу сеансів зв'язку, т. е. проходження супутника через зону видимості НКПОД; автоматичну активізацію НКПОД і прийом даних відповідно до розкладу; розрахунок траєкторії супутника і управління антенним комплексом для супроводу супутника; форматування прийнятого інформаційного потоку і запис його на жорсткий диск; індикацію поточного стану системи і інформаційного потоку; автоматичне ведення журналів роботи. Програмне забезпечення дає можливість управління НКПОД з віддаленого терміналу через локальну мережу або мережу Інтернет. 6

7 До складу програмного забезпечення НКПОД, як правило, входять засоби для ведення електронного каталогу зображень і архівації. Пошук зображень в каталозі виконується за такими основними ознаками: найменування супутника, тип знімальної апаратури і режим її роботи, дата і час зйомки, територія (географічні координати). Додатково може встановлюватися програмне забезпечення для візуалізації, фотограмметричної і тематичної обробки даних ДЗЗ, таке як: INPHO (компанія INPHO, Німеччина) повнофункціональна фотограмметрична система; ENVI (корпорація ITT Visual Information Solutions, США) програмний комплекс для обробки даних ДЗЗ і їх інтеграції з даними ГІС; ArcGIS (компанії ESRI, США) програмне рішення для побудови корпоративних, галузевих, регіональних, державних ГІС. Для забезпечення максимального радіуса огляду антенний комплекс повинен встановлюватися так, щоб горизонт був відкритий від кутів місця 2 і вище в будь-якому азимутному напрямку. Для якісного прийому істотним є відсутність радіоперешкод в діапазоні від 8,0 до 8,4 ГГц (передавальні пристрої радіорелейних, тропосферних і інших ліній зв'язку). Слід також зазначити, що за оцінками експертів, в найближчому майбутньому дані дистанційного зондування стануть основним джерелом інформації для ГІС, в той час як традиційні карти будуть використовуватися тільки на початковому етапі в якості джерела статичної інформації (рельєф, гідрографія, основні дороги, населені пункти, Адміністративний поділ). В даний час в нафтогазовій галузі спостерігається бурхливий сплеск застосування супутникових навігаційних систем, призначених для визначення параметрів просторового положення об'єктів. Сьогодні застосовуються дві системи другого покоління американська GPS (Global Positioning System), що має також назву NAVSTAR, і російська ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). Пристрій і застосування супутникових систем глобального позиціонування в нафтогазовій галузі Основні напрямки застосування супутникових систем глобального позиціонування при геоінформаційному забезпеченні підприємств нафтогазового сектора наступні: розвиток опорних геодезичних мереж усіх рівнів від глобальних до знімальних, а також проведення нівелірних робіт з метою геодезичного забезпечення діяльності підприємств; забезпечення видобутку корисних копалин (відкрита розробка, бурові роботи та ін.); геодезичне забезпечення будівництва, прокладки трубопроводів, кабелів, шляхопроводів, ЛЕП і ін. інженерно-прикладних робіт; землевпорядні роботи; рятувально-попереджувальні роботи (геодезичне забезпечення при лихах і катастрофах); екологічні дослідження: координатна прив'язка розливів нафти, оцінка площ нафтових плям і визначення напрямку їх руху; зйомка і картографування всіх видів топографічна, спеціальна, тематична; інтеграція з ГІС; застосування в диспетчерських службах; навігація всіх видів повітряна, морська, сухопутна. Дані систем глобального супутникового позиціонування (СГСП) застосовуються в різних (моніторингові, вишукувальні, дослідні і т.п.) системах, де потрібно 7

8 жорстка просторово-часова прив'язка результатів вимірювань. Основними достоїнствами СГСП є: глобальність, оперативність, всепогодность, точність, ефективність. Про тенденції розвитку цих систем можна судити за обсягом продажів супутникових приймачів GPS / ГЛОНАСС, який подвоюється через кожні 2-3 роки. Обидві системи мають подвійне призначення військове і цивільне, тому випромінюють два види сигналів: один зі зниженою точністю визначення координат (~ 100 м) L1 для цивільного застосування та іншої високої точності (~ 10-15 м і точніше) L2 для військового застосування. Для обмеження доступу до точної навігаційної інформації вводять спеціальні перешкоди, які можуть бути враховані після отримання ключів від відповідного військового відомства (США для NAVSTAR і Росії для ГЛОНАСС). Для NAVSTAR L1 = 1575,42 МГц і L2 = 1227,6 МГц. У ГЛОНАСС використовується частотне розділення сигналів, т. Е. Кожен супутник працює на своїй частоті і, відповідно, L1 знаходиться в межах від 1602,56 до 1615,5 МГц і L2 від 1246,43 до 1256,53 МГц. Сигнал в L1 доступний всім користувачам, сигнал в L2 тільки військовим (тобто, не може бути розшифрований без спеціального секретного ключа). В даний час ці перешкоди скасовані, і точний сигнал доступний цивільним приймачів, проте в разі відповідного рішення державних органів країн-власників військовий код може бути знову заблокований (в системі NAVSTAR це обмеження було скасовано лише в травні 2000 року і в будь-який момент може бути відновлено ). У складі систем глобального супутникового позиціонування можна виділити три компоненти: наземну систему контролю і управління; системи космічних апаратів; апаратуру користувачів. Система контролю і управління складається з станцій спостереження за супутниками, служби точного часу, головною станції з обчислювальним центром і станцій завантаження даних на борт космічних апаратів. Супутники проходять над контрольними пунктами двічі на добу. Зібрана інформація про орбітах обробляється і прогнозуються координати супутників (ефемериди). За цими даними складається альманах. Ці та інші дані з наземних станцій завантажуються на борт кожного супутника. Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відомо з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається альманахом, яким повинен мати у своєму розпорядженні будь-якої супутниковий приймач до початку вимірювань. Зазвичай приймач зберігає альманах в пам'яті з часу останнього виключення і якщо він не застарів миттєво використовує його. Кожен супутник передає в своєму сигналі весь альманах. Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі альманаху, можна обчислити положення об'єкта в просторі, оскільки в системі глобального супутникового позиціонування кожен супутник виконує роль окремого геодезичного опорного пункту з відомими координатами в поточний момент часу. Координати вимірюваного об'єкта, на якому знаходиться навігаційний приймач, визначаються методом лінійних зарубок. Виміряні параметри визначають поверхні положення, в точці перетину яких знаходиться шуканий об'єкт. Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначеності швидкості поширення радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу розповсюджуваного радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу, в складі свого сигналу, використовуючи точно синхронізовані з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізуються з системним часом, і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, що містяться в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цією інформацією, навігаційний приймач обчислює координати антени. Додатково накопичуючи і обробляючи ці дані за певний проміжок часу, стає можливим обчислити такі параметри руху, як швидкість (поточну, максимальну, середню), пройдений 8

9 шлях і т. Д. Вимірювання проводяться в так званому беззапитним режимі, коли передавач на супутнику працює безперервно, а навігаційний приймач включається у міру потреби. Зробимо розгляд складу системи космічних апаратів. Супутники NAVSTAR розташовуються в шести площинах на висоті приблизно км. Супутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») знаходяться в трьох площинах на висоті приблизно км. Номінальна кількість супутників в обох системах 24. Угруповання NAVSTAR повністю укомплектована в квітні 1994-го і з тих пір підтримується, угруповання ГЛОНАСС була повністю розгорнута в грудні 1995-го, але потім значно деградувала і лише у вересні 2010 року була укомплектована до штатної кількості 24 ( а також два резервних супутника). На малюнку 5 представлені навігаційні супутники Navstar-2 і Глонасс-М. Малюнок 5. Супутники навігаційних систем GPS (зліва) і ГЛОНАСС (праворуч) 24 супутника забезпечують 100% працездатність системи в будь-якій точці земної кулі, але не завжди можуть забезпечити впевнений прийом і хороший розрахунок позиції. Тому, для збільшення точності позиціювання і резерву на випадок збоїв, загальне число супутників на орбіті підтримується в більшій кількості. Для GPS це кількість дорівнює 30 (6 резервних), а для ГЛОНАСС 26 (2 резервних). Також невисока нахил орбіт супутників (приблизно 55 для GPS і 64,8 для ГЛОНАСС) серйозно погіршує точність в приполярних районах Землі, так як супутники невисоко піднімаються над горизонтом. Обидві системи використовують сигнали на основі т. Зв. «Псевдошумових послідовностей», застосування яких надає їм високу перешкодозахищеність і надійність при невисокій потужності випромінювання передавачів. Кожен супутник системи, крім основної інформації, передає також допоміжну, необхідну для безперервної роботи приймальних пристроїв. У цю категорію входить повний альманах всієї супутникового угруповання, що передається послідовно протягом декількох хвилин. Таким чином, старт приймального пристрою може бути досить швидким, якщо він містить актуальний альманах (близько однієї хвилини), тобто був вимкнений менше 3-4 годин це називається «теплий старт» (приймач отримує тільки ефемериди супутників), але може зайняти і до 30-ти хвилин, якщо приймач змушений отримувати повний альманах т. н. «Холодний старт». Необхідність в «холодному старті» виникає зазвичай при першому включенні приймача, або якщо він довго не використовувався (більше 70 годин) або був переміщений на значну відстань. Існує також «гарячий старт» (приймач вимкнений менше 30 хвилин), коли робота приймача починається негайно з невеликою помилкою, корректируемой в процесі вимірювання координат. Загальним недоліком використання будь радіонавігаційної системи є те, що при певних умовах сигнал може не доходити до приймача, або приходити зі значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині всередині залізобетонного будівлі, в підвалі або в тунелі. Так як робоча частота GPS лежить в дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитися під щільною листям дерев або через дуже великий 9

10 хмарності. Нормальному прийому сигналів GPS можуть пошкодити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бур. Для штучного придушення сигналів супутникових навігаційних систем використовуються передавачі активних перешкод. Вперше широкому загалу передавачі розробки російської компанії «Авіаконверсія» були представлені в 1997 році на авіасалоні МАКС Точність визначення координат може варіюватися в широких межах від декількох десятків метрів до десятків сантиметрів і залежить від способів вимірювань, які діляться на: абсолютні способи визначення геоцентричних координат (автономні , диференціальні); відносні способи визначення просторових векторів базових ліній (статичні, кінематичні). Найбільшу точність забезпечують диференціальні і відносні статичні способи. В їх основі лежить спосіб вимірювання координат з двох станцій знаходяться один від одного на відносно невеликій відстані (до 30 км). При цьому вважається, що на таких відстанях вимірювання з двох станцій до супутників спотворені однаково. Подібні методи вимірювань дозволяють проводити професійні геодезичні навігаційні приймачі таких фірм як: Leica (Швейцарія), Ashtech (США), Trimble (США) і деякі інші. У диференціальному способі в приймачах повинна бути передбачена можливість реалізації диференціального режиму. Сутність даного методу полягає в наступному. Один приймач ставиться на пункті з заздалегідь відомими координатами (наприклад, опорному пункті геодезичної мережі). При цьому його називають базовою референц-станцією або контрольнокорректірующей. Інший наступник, рухливий, розміщується на точці,. Оскільки координати базової станції відомі, то їх можна використовувати для порівняння з знову обумовленими і знаходити на цій основі поправки для мобільної станції, які передаються на рухому станцію по радіоканалу за допомогою спеціального передавача. Мобільна станція, отримавши диференціальні поправки, коригує свої виміряні координати, тим самим підвищуючи точність вимірювання. Найбільш відчутні вигоди від впровадження ідеї виключення похибок досягнуті в способах відносних статичних вимірювань. Як і в диференціальному режимі, апаратуру встановлюють на двох станціях, наприклад А і В. У статиці по різницям, вільним від багатьох спотворень, обчислюють з'єднує ці станції просторовий вектор D: D = (X B X A, Y B Y A, Z B Z A). Базова станція повинна мати точні координати, щоб по виміряним приращениям можна було вирахувати координати інших пунктів геодезичної мережі з необхідною точністю. Завдяки вимірюванню збільшень координат і застосування фазового методу похибки в результатах визначення координат пунктів зведені до кількох десятків сантиметрів. Ці способи є основними в геодинамічних і найважливіших геодезичних роботах. Існують цілі мережі, що виробляють диференціальні поправки для навігаційних приладів по вищеописаним принципам. Про них розповідається далі. Використання тих чи інших видів навігаційних приймачів і методів вимірювань залежить від вимог до точності визначення координат опорних точок. Немає ніякого сенсу використовувати дорогі геодезичні приймачі та тривалі за часом методи вимірювань для отримання координат опорної точки з метою прив'язки, наприклад, знімків КА Landsat з дозволом 15 (30) м. У цьому випадку досить використовувати найпростіші недорогі навігаційні приймачі, що забезпечують прийнятну точність в 5 -20 м. Важливо підкреслити, що точність всіх навігаційних приймачів залежить не тільки від тривалості проведення окремих вимірювань і методу вимірювань, але і від числа видимих ​​супутників над горизонтом, а також характеру і відкритості місцевості (рівнина або забудована територія), що впливає на переотраженіе сигналу . Точність системи ГЛОНАСС в даний час трохи нижче, ніж GPS, 4,46-8,38 м при використанні в середньому 7-8 космічних апаратів (у залежності від точки прийому). У той 10

11 Водночас помилки GPS складають 2,00-8,76 м при використанні в середньому 6-11 космічних апаратів (у залежності від точки прийому). При спільному використанні обох навігаційних систем помилки складають 2,37-4,65 м при використанні в середньому космічних апаратів (у залежності від точки прийому). Відповідно до заяв глави Роскосмосу Анатолія Пермінова, вживаються заходи щодо збільшення точності. До кінця 2010 році підвищиться точність розрахунку ефемерид і догляду бортового годинника, що призведе до збільшення точності навігаційних визначень до 5,5 метрів. Зроблено це буде за рахунок модернізації наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплексу управління встановлюється нова вимірювальна система з високими точносних характеристиками. У 2011 році кількість супутників в угрупованні планується збільшити до 30. Паралельно з цим буде йти заміна супутників ГЛОНАСС-М на більш досконалі Глонасс-К (підтримують нові CDMA сигнали в форматі GPS / Galileo / Compass, які значно полегшать розробку Мультисистемність навігаційних приладів) і Глонасс-К2 (транслює сигнали з кодовим поділом: два сигнали в діапазонах частот L1 і L2 і відкритий сигнал в діапазоні L3), що підвищить точність до 2,8 м. Для збільшення точності навігації використовують системи, які посилають уточнюючу інформацію ( «диференціальну поправку до координат »DGPS, теоретичні аспекти формування якої були розглянуті вище), що дозволяє підвищити точність вимірювання координат приймача до декількох метрів і навіть до кількох десятків сантиметрів при використанні складних диференціальних режимів. Диференціальна поправка заснована на геостаціонарних супутниках і наземних базових станціях. Кожна зі станцій обладнана GPS апаратурою та спеціальним програмним забезпеченням, призначеним для прийому GPS сигналів, аналізу отриманих вимірювань, обчислення помилок іоносфери, відхилень траєкторій і годин супутників. Ці дані передаються на центральну станцію управління (Master Station WMS), де повторно обробляються і аналізуються з урахуванням вимірів, отриманих з усіх базових станцій мережі. Потім коригувальна інформація передається на геостаціонарні супутники і вже звідти ретранслюються користувачам. Сигнал від геостаціонарним супутників приймається аналогічно сигналу від супутників навігаційної системи по одному або декількох каналах. DGPS може бути платною (розшифровка сигналу можлива тільки одним певним приймачем після оплати «підписки на послугу») або безкоштовною. В даний час існують безкоштовні американська система WAAS, європейська система EGNOS, японська система MSAS засновані на декількох передавальних корекції геостаціонарних супутниках, що дозволяють отримати високу точність (до 30 см). У Росії лише в Калінінградській області можливо повнофункціонально використовувати сигнали від системи EGNOS. На решті території прийом диференціальної поправки неможливий. Ключовим питанням в організації супутникової навігації є вибір пристроїв для прийому сигналу, тобто апаратури користувача. Споживачам пропонуються різні пристрої і програмні продукти, що дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; мають можливість прокладати маршрути з урахуванням рельєфу місцевості; шукати на карті конкретні об'єкти за координатами або адресою і т.д. При цьому навігаційний приймач може бути виконаний як окремий пристрій, або ж навігаційний чіп вбудовується в інше обладнання, наприклад, мобільний телефони, смартфон, КПК або онбордер (бортовий комп'ютери). На малюнку 6 наведено приклади навігаторів: вгорі без підтримки карт (зліва власне GPS-навігатор Magellan Blazer 12 в ударостійким вологозахищеного корпусі, праворуч навігація за допомогою стільникового телефону (iphone), закріпленого на кермі велосипеда), внизу автонавігатор Glospace з підтримкою карт. Порівнюючи обладнання для GPS і ГЛОНАСС можна сказати, що всі приймачі ГЛОНАСС дозволяють працювати і з GPS, але не навпаки. Можливий одночасний прийом сигналів обох навігаційних систем, що дає більш точні координати. Комбінована гло- НАСС / GPS апаратура професійного рівня виготовляється багатьма виробниками, в тому числі закордонними фірмами Topcon, Javad, Trimble, Septentrio, Ashtech, NovAtel, SkyWave Mobile Communications. Основною причиною, по якій ГЛОНАСС не використовується в чистому вигляді, є відсутність якісних цифрових карт, а також громіздкість і занадто високе енергоспоживання самих приймачів (з цих причин чіпи ГЛОНАСС не вбудовуються в 11

12 мобільне обладнання). Однак йде поступове зменшення цих параметрів і на даний момент існують повнофункціональні чіпи з підтримкою систем ГЛОНАСС / GPS, а також GALILEO / COMPASS. Малюнок 6. Навігатори В нафтогазовій галузі широкого поширення набули GPS-трекери і GPSлоггери, які ведуть запис і передачу координат на серверний центр і використовуються для супутникового моніторингу автомобілів, людей, активів і т.д. Ці дані використовуються диспетчерськими службами для організації ефективного управління транспортом і персоналом. GPS-трекер фіксує дані про місцезнаходження і з регулярними інтервалами передає їх за допомогою радіозв'язку, GPRS- або GSM-з'єднання, супутникового модему на серверний центр моніторингу або просто комп'ютер зі спеціальним програмним забезпеченням через USB, RS-232, PS / 2. Користувач трекера, або диспетчер провідний моніторинг за об'єктом, може підключитися до сервера системи, використовуючи програму-клієнт або web-інтерфейс під своїм логіном і паролем. Система відображає місцезнаходження об'єкта та історію його переміщення трек на мапі (малюнок 7). Пересування трекера можна аналізувати або в режимі реального часу, або пізніше. Власних дисплеїв GPS-трекери не мають і за рахунок цього дешевше своїх побратимів навігаторів. Для моніторингу персоналу використовуються персональні трекери (малого розміру), а для моніторингу транспорту автомобільні. АвтоТрекер дозволяють підключати різні датчики (рівня палива, навантаження на вісь і т.д.) і самі підключені до бортової мережі. Для автомобільних трекерів передбачено також підключення зовнішньої антени. 12

13 Малюнок 7. Трек GPS-логгер не тільки не мають дисплея, але і не містять модулів передачі даних (GSM-модулів), тому не придатні для моніторингу в реальному часі. Інформація Логгер записується під час руху у вбудовану пам'ять і стає доступною після підключення до комп'ютера для її аналізу. У тих випадках, коли необхідно надати додаткові можливості крім простого занесення координати в пам'ять приймача, використовуються власне навігатори (майже завжди, GPS-навігатори). Вони володіють широким колом можливостей, огляд яких виходить за рамки нашого викладу. Основними з них для нафтогазової галузі є можливість відображення карт різного профілю, прокладка маршрутів на місцевості, пошук та визначення координат об'єктів і т.д. Наприклад, дані можливості використовували фахівці BG Transco компанії, що займається обслуговуванням більш км підземних газопроводів, для визначення місця розташування споруд, що потрапляють в потенційно небезпечну область поблизу газопроводу в разі критичних ситуацій. Для цього використовували панхроматичному супутникове зображення з роздільною здатністю на місцевості 1 м для аналізу буферних зон в областях з високою щільністю населення. Зображення було прив'язане по опорних точках, отриманим за допомогою GPSпріемніка. На зображення була накладена аналітичним методом (по координатах) траса газопроводу і в результаті просторового аналізу була обчислена 200-метрова буферна зона потенційного ризику і всі об'єкти, що знаходяться в ній. Іншим прикладом є споруда магістрального нафтопроводу протяжністю 450 км в Ненецькому автономному окрузі РАО «Роснефтегазстрой». В якості головного джерела інформації були використані знімки космічного апарату Landsat, що дозволили отримати найбільш достовірну і оперативну інформацію про місцевість в районі передбачуваної прокладки нафтопроводу. На основі цифрової моделі рельєфу були створені цифрові моделі території планованого об'єкта, виконані розрахунки кутів повороту, величини і напрямки ухилів по трасі нафтопроводу. Професійні GPS-навігатори відрізняється якістю виготовлення компонентів (особливо антен), використовуваним програмним забезпеченням (ПЗ), підтримуваними режимами роботи (наприклад RTK, binary data output), робочими частотами (L1 + L2), алгоритмами придушення інтерференційних залежностей, сонячної активності (вплив іоносфери ), підтримуваними системами навігації (наприклад, NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), збільшеним запасом електроживлення і зрозуміло, ціною. Необхідно відзначити, що в даний час намітилася тенденція до тіснішої інтеграції GPS-технологій і методів отримання і обробки даних дистанційного зондування Землі, що виявляється в основному в області аерофотозйомки. Вже досить тривалий час при знімальних роботах використовують аерофотокамери деяких виробників, інтегровані з GPS-приймачами (малюнок 8), які при фотографуванні місцевості фіксують просторові тривимірні координати центру проекції кожного кадру. Використання даної технології 13

14 за оцінкою фахівців дозволяє скоротити в раз число опорних точок, необхідних для фотограмметричної обробки матеріалів обльоту, що істотно підвищує продуктивність робіт і знижує сумарну вартість витрат на отримання вихідних даних. Малюнок 8. Аерофотокомплекс, інтегрований з GPS-приймачем Таким чином, при створенні ГІС застосовують комбіновані джерела інформації: поєднання методів дистанційного зондування Землі космічними апаратами різної детальності, дані GPS-вимірювань, лазерна і стереозйомка, дані з топокарт і т.п. Все залежить тільки від вимог, що пред'являються до системи. Можна стверджувати, що комбінація інформації, отриманої за допомогою різних засобів дистанційного зондування Землі та даних GPS-вимірів, дозволить отримати повну і вичерпну інформацію про будь-якому об'єкті найбільш оперативно і достовірно, а також повністю забезпечить всі потреби для інформаційного забезпечення будь-якого проекту, будь-якої системи, будь-якого підприємства. Стійке зростання застосування геоінформаційних технологій на підприємствах нафтогазового комплексу, що намітився останнім часом, обумовлений не тільки розвитком можливостей самих ГІС, а й тісною інтеграцією даних інформаційних систем з GPSтехнологіямі і технологіями отримання і обробки даних дистанційного зондування Землі. 14

ГІС І GPS В НАФТОГАЗОВОЇ ГАЛУЗІ Еременко.Д.І. Нижневартовский нафтовий технікум (філія) ФГБОУ ВОЮГУ Югорський державний університет Нижньовартовськ, Росії GIS and GPS IN OIL AND GAS INDUSTRY Eremenko.D.I.

Аерокосмічні (дистанційні) методи в лісовому господарстві Лекції 1-2 Вуколова І.А., к.с.-г.н., доцент кафедри лісовпорядкування і охорони лісу МГУЛ Дистанційне зондування (ДЗЗ) - процес, за допомогою якого

Супутникові навігаційні системи ГЛОНАСС, GPS, Galileo З давніх часів мандрівники задавалися питанням: як визначити своє місце розташування на Землі? Стародавні мореплавці орієнтувалися по зірках,

Що таке GPS? Супутникова навігаційна система GPS (Global Positioning System) або Глобальна система позиціонування місцезнаходження. Система GPS офіційна назва NAVSTAR (Navigation System of

Доповідь на засіданні секції 3 НТС ФГУП ЦНДІМАШ з питання «Загальний задум геодезичних напрямків досліджень в рамках НДР« Розвиток »від 28 травня 2013 року Роль і місце в дослідженнях з проблемних питань

Глобальна навігаційна супутникова система, ЗАСТОСУВАННЯ В ГЕОДЕЗІЇ Захарчев С.В., Андрєєва Н. В. БГТУ імені В.Г. Шухова Білгород, Росія GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS, APPLICATIONS IN GEODESY Zakharchev

Позиціонування визначення за допомогою супутникових систем місцезнаходження спостерігача або об'єкта в тривимірному земному просторі. Переваги супутникових систем позиціонування: глобальність оперативність

Фролова Олена Андріївна Frolova Elena Andreevna АНАЛІЗ ТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГЛОБАЛЬНИХ СУПУТНИКОВИХ СИСТЕМ ГЛОНАСС І GPS. ANALYSIS OF TECHNICAL PROPERTIES OF GLOBAL SATELLITE SYSTEMS OF GLONASS AND GPS.

ФГУП «РНИИ КП» Альманах результатів моніторингу цілісності взаємодоповнюючих систем ГЛОНАСС / GPS за період з 08.11.2007 3:00:00 по з 08.11.2007 6:00:00 1. Введення Даний матеріал являє результати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РФ ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА освітні установи ВИЩОЇ ОСВІТИ «Воронезького державного технічного університету» КАФЕДРА КАДАСТРУ НЕРУХОМОСТІ,

РОЗВИТОК АЕРОКОСМІЧНИХ ЗАСОБІВ ДЛЯ МОНІТОРИНГУ ІНФРАСТРУКТУРИ НАФТОГАЗОВОЇ ГАЛУЗІ Генеральний конструктор М.М. Севастьянов КОНФЕРЕНЦІЯ «Космічні СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ

GPS: принципи роботи, класифікація пристроїв За останні роки функція GPS перетворилася з незрозумілою пересічному користувачеві абревіатури в прекрасно знайому, щодня яка полегшує життя тисячам користувачів

Схема взаємозв'язків засобів дистанційного зондування Державний моніторинг земель дистанційними методами Дистанційні методи наземний Повітряний (Аеро-) космічний Види первинної інформації Фотограмметричні

УДК 621.391.26 К.М. Другов, Л.А. Подколзина СИСТЕМИ НАВІГАЦІЇ НАЗЕМНИХ РУХЛИВИХ ОБ'ЄКТІВ Сучасний технічний прогрес в області інформаційних технологій істотно розширює тактико-технічні

10 В. А. Добриков, В. А. Авдєєв, Д. А. Гаврилов УДК 621.396.96 + 629.78 В. А. Добрик, В. А. АВДЄЄВ, Д. А. ГАВРІЛОВ ВИЗНАЧЕННЯ ТРАЄКТОРІЇ АВІАЦІЙНОГО НОСІЯ радіолокатор із синтезованою апертурою

РОЗРОБКА І ПРОГРАМУВАННЯ ПРИСТРОЇВ ДЛЯ ПОШУКУ І ВИЯВЛЕННЯ ДРІБНОЇ ПОБУТОВОЇ ТЕХНІКИ Капустін Дмитро Юрійович Ведення Основною метою роботи є спрощення пошуку дрібних речей. Всі ми періодично

Сучасні аспекти застосування ГІСтехнологій в нафтогазовому секторі Управління геоінформаційних систем www.primegroup.ru Передумови використання ГІСтехнологій в ПЕК Просторовий розподіл об'єктів

Відкрите акціонерне товариство «Науково-дослідний і виробничий центр« Природа »(ВАТ« НДІПІТ центр «Природа») ДАНІ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ В СИСТЕМІ ДЕРЖАВНОГО топографічні

Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої професійної освіти «Московський державний технічний університет імені Н.Е. Баумана »(МГТУ ім. Н. Е. Баумана)« Інтелектуальні

КОСМІЧНА СИСТЕМА ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ (ДЗЗ) ДЕРЖАВНОГО космічного НАУКОВО-ВИРОБНИЧОГО ЦЕНТРУ (ГКНПЦ) ІМ. М.В. Хрунічева І.А. Глазкова ГКНПЦ ім. М.В. Хрунічева. E-mail: [Email protected]

«Система контролю навігаційного поля КНС ГЛОНАСС / GPS на території Східної півкулі Землі беззапитним вимірювальними системами» ДОПОВІДАЧ: Заступник голови Красноярського Наукового Центру

Дистанційне зондування Землі при еколого-геологічні дослідження 3. Методи і технології вивчення Землі з космосу Зміст 3.1. Технологія отримання матеріалів ДЗЗ Схема отримання та обробки

Геоінформаційні системи Лекція 14 Визначення ГІС (географічна інформаційна система) система збору, зберігання, аналізу та графічної візуалізації просторових (геогр афіческіх) даних і пов'язаної

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Федеральне державне автономне установа вищої професійної освіти "Казанський (Приволзький) федеральний університет" Інститут

Тенденції розвитку геоінформатики в Росії і в світі Інтеграція геопространства Болсуновський Михайло Олександрович Перший заступник генерального директора Компанія «Совзонд» * Галузь 1 2 3 Технології

МІНІСТЕРСТВО З ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА МЕТРОЛОГІЇ НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ ГОСТ Р 52928-2008 СИСТЕМА СУПУТНИКОВА НАВІГАЦІЙНА ГЛОБАЛЬНАЯ Терміни та визначення Москва Стандартинформ

Головна мета системи Зниження витрат на експлуатацію автотранспорту та підвищення ефективності його використання за рахунок отримання достовірної і оперативної інформації про його русі Цілі впровадження системи

МОБІЛЬНІ СПІВРОБІТНИКИ НАВІГАЦІЙНІ ТРАНСПОРТ СЕРВІСИ КОРИСНО ЗНАТИ! Оптимізує роботу ВАШИХ СПІВРОБІТНИКІВ ЕФЕКТИВНИЙ І КОНТРОЛЬ ТРАНСПОРТУ роз'їзний ПОЗА ОФІСУ СПІВРОБІТНИКІВ І ТРАНСПОРТУ КОМПАНІЇ При оснащенні

ОЦІНКА ТОЧНОСТІ ПОЗИЦІОНУВАННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ ОБЛАДНАННЯ ГНСС КОМПАНІЇ JAVAD GNSS М.О. Любич ( «УГТ-Холдинг», Єкатеринбург) У 2011 р закінчив Уральський федеральний університет ім. першого Президента

Класифікація за технологією отримання зображення Фотографічні Сканерне ОМ Відомий і інфрачервоний діапазон Сканерне ОЕ Радіолокаційні Радіодіапазон Пасивні реєструють природне випромінювання

Класифікація технічних засобів дистанційного зондування Групи ТС ДЗ знімальна апаратура, носії знімальної апаратури, наземні засоби дистанційного зондування Знімальна апаратура весь парк

ОГЛЯД СУЧАСНИХ РАДІОЛОКАЦІЙНИХ ДАНИХ ДЗЗ І МЕТОДИК ЇХ ОБРОБКИ З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСУ SARSCAPE Ю.І. Кантемир (ТОВ «Компанія Совзонд») [Email protected]У доповіді наводиться

937 Використання сигнатур для підвищення точності визначення місцеположення рухомих об'єктів в локальних системах позиціонування. Зарецький С.В. ( [Email protected]) Московський Фізико-технічний Інститут

Сучасні технології дозволяють створювати цілком прийнятні за ціною навігаційні системи для автомобілістів, які вміють не тільки відображати на своєму екрані карту місцевості і місце розташування автомобіля,

Системи глобального позиціонування 1 Мета лекції Розуміти як працюють основні функції супутникової навігації Знати як визначити положення на карті 2 Принцип вимірювання транзитного часу сигналу Відстань

Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції, 3 7 грудня 2012 р МОСКВА INTERMATIC 2 0 1 2, частина 6 МІРЕА ПІДХОДИ ДО ПОБУДОВИ БОРТОВОЙ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ КОНТРОЛЮ ЦІЛІСНОСТІ СУПУТНИКОВИХ

МІНІСТЕРСТВО З ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА МЕТРОЛОГІЇ НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ російської ФЕДЕРАЦІЇ ГОСТ Р 53607-2009 МЕТОДИ І ТЕХНОЛОГІЇ ВИКОНАННЯ ГЕОДЕЗИЧНИХ І ЗЕМЛЕВПОРЯДНИХ РОБІТ Визначення

Пропозиція по космічному моніторингу зсувів земної поверхні і споруд для вирішення завдань ГЗК 1 Зміст 1. Загальна інформація 3 2. Етапи робіт з космічного моніторингу зсувів .... 5 3. Ресурсне

Введення і обробка даних дистанційного зондування Землі Лектор: к.т.н. Токарева Ольга Сергіївна Лекція 2 Структура системи ДЗЗ Орбітальний сегмент ШСЗ Інформаційний центр Цільова апаратура Станція

СУПУТНИКОВІ НАВІГАЦІЙНІ СИСТЕМИ GPS і GLONASS Кафедра теоретичної механіки МФТІ, Інститут проблем управління РАН, Javad GNSS Міжпредметний семінар МФТІ, 29.10.08 Зміст GPS і ГЛОНАСС 1 GPS і ГЛОНАСС

Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції, 14 17 листопада 2011 р МОСКВА INTERMATIC 2 0 1 1, частина 3 МІРЕА ВИМІР ДАЛЬНОСТІ ЦИФРОВИЙ РУХОМИЙ РАДІОСВЯЗІС ДОПОМОГОЮ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ НА

Впровадження супутникових навігаційних технологій з використанням системи ГЛОНАСС в інтересах соціально-економічного розвитку Архангельської області СПУТНИКОВОЕ ПОЗИЦІОНУВАННЯ загальногромадянський ЗАСТОСУВАННЯ

ВИКОРИСТАННЯ ПРОГРАМИ TOPOCAD ПРИ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЕКТУ МОНІТОРИНГУ ДОННИХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДОСХОВИЩА Галахов В.П., ЗАТ «Геостройізисканія» За матеріалами досліджень співробітників факультету цивільного будівництва

Карепін Олександр Сергійович аспірант Самсонова Наталя В'ячеславівна канд. екон. наук, завідувач кафедри ФГБОУ ВПО «Ростовський державний будівельний університет» м Ростов-на-Дону, Ростовська область

Фаза Коду Вимірювання та Результати Базові принципи і джерела помилок Фактор зниження точності (DOP) DOP - геометричний фактор якості зворотної просторової зарубки DOP залежить від взаємного розташування

УДК 528.4+ 528.7 + 528.8 ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДАНИХ ДЗЗ ДЛЯ КАРТОГРАФУВАННЯ ОБ'ЄКТІВ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА В.М. Максимова У статті розглянуті питання, присвячені методу картографування об'єктів сільського

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Міжнародний інститут ГЕОДЕЗІЇ І КАРТОГРАФІЇ (МІІГАіК) Опис основної освітньої програми вищої освіти Напрям

ВСЕРОСІЙСЬКА ОЛІМПІАДА ШКОЛЯРІВ «КРОК У МАЙБУТНЄ» «КРОК У МАЙБУТНЄ, МОСКВА» ІНФРОМАТІКА І СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ Зміст Введення Вимірювання висоти Барометричний висотомір Радіотехнічний висотомір Вибір

УДК 528.48 (076.5) Хмирова Е.Н. (Караганда, КарГТУ), Бесімбаева О.Г. (Караганда, КарГТУ), Ігемберліна М.Б. (Караганда, КарГТУ) Координатний метод розбивочних робіт з комплексним використанням сучасних

Картографія, топографія і дистанційне зондування: сучасні тенденції Прасолова Анна Іванівна, доцент Географічного факультету МГУ імені М.В. Ломоносова [Email protected]Тульська Надія

ТЕСТ топографічних ЗЙОМКИ 1. Якими методами здійснюється наземна топографічна зйомка? - тахеометричним; * - стереотопографічним; - комбінованим. 2. Який метод є в даний час

Історія розробок Перші результати роботи апаратури і ЧКВО на борту космічного апарату «Метеор-М» 1 АНО «Космос-НТ» Інститут космічних досліджень РАН 2009 року близько 30 років в ІКД РАН ведуться роботи

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ з вищої освіти Пермського державного технічного університету КАФЕРДА БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ Використання систем позиціонування для виконання

Космічна геодезія і високоточна гравіметрія в сучасній геодинаміці В.Е.Жаров, А.В.Копаев. В.К.Мілюков Підстави для роботи Федеральна цільова програма «Глобальна навігаційна система» Проект

ЗМІСТ Передмова ... 3 Введення ... 4 РОЗДІЛ I. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГЕОДЕЗІЇ І ГЕОДЕЗИЧНИХ ВИМІРАХ Глава 1. Земна поверхня і способи її зображення ... 6 1.1. Форма Землі і визначення положення

ГОНЕЦЬ-Д1М Багатофункціональна система персонального супутникового зв'язку www.gonets.ru МСПСС «Гонець-Д1М» МСПСС «Гонець-Д1М» призначена для передачі даних і надання послуг зв'язку абонентам в будь-якій точці

Міжнародна організація цивільної авіації A37-WP / 195 1 РОБОЧИЙ ДОКУМЕНТ ТІ / 109 22/9/10 (Information paper) АСАМБЛЕЯ 37-Я СЕСІЯ ТЕХНІЧНА КОМІСІЯ Пункт 35 порядку денного. Глобальна система організації

Діагностика підводних переходів. Трасопошукові системи. Трасопошукові системи є прилади, призначені для дистанційного пошуку, виявлення і вимірювання просторового положення

Сергій ревнивий, заступник керівника дирекції ГЛОНАСС, директор департаменту розвитку системи ГЛОНАСС ВАТ «Інформаційні супутникові системи ім. академіка М.Ф. Решетньова »

Мабуть, немає жодної галузі економіки, де б уже не застосовувалися технології супутникової навігації - від усіх видів транспорту до сільського господарства. І області застосувань постійно розширюються. Причому, в більшості своїй, приймальні пристрої приймають сигнали як мінімум двох глобальних навігаційних систем - GPS і ГЛОНАСС.

стан питання

Так вже вийшло, що застосування ГЛОНАСС саме в космічній галузі в Росії не настільки велика, як цього можна було б очікувати, з огляду на той факт, що основним розробником системи ГЛОНАСС є Роскосмос. Так, вже багато наших космічні апарати, носії, розгінні блоки мають в складі бортової апаратури приймачі ГЛОНАСС. Але поки вони - або допоміжні засоби, або використовуються в складі корисного навантаження. До сих пір для проведення траєкторних вимірювань, для визначення орбіт навколоземних космічних апаратів, синхронізації в більшості випадків використовуються наземні засоби командно-вимірювального комплексу, багато з яких давно виробили свій ресурс. Крім того, вимірювальні засоби розташовуються на території Російської Федерації, що не дозволяє забезпечити глобальне покриття всієї траєкторії космічних апаратів, що позначається на точності орбіти. Застосування навігаційних приймачів ГЛОНАСС в складі штатної бортової апаратури траєкторних вимірювань дозволить отримати точність орбіти низькоорбітальних КА (складають основну частину орбітального угрупування) на рівні 10 сантиметрів в будь-якій точці орбіти в реальному часі. При цьому немає необхідності залучати до проведення траєкторних вимірювань кошти командно-вимірювального комплексу, витрачати кошти на забезпечення їх працездатності і утримання особового складу. Досить мати одну-дві станції для прийому навігаційної інформації з борту і передачі її в центр управління польотом для вирішення завдань планування. Такий підхід змінює всю стратегію балістико-навігаційного забезпечення. Але, тим не менш, ця технологія вже досить добре в світі відпрацьована і особливої ​​складності не представляє. Тут потрібно тільки прийняття рішення про перехід на таку технологію.

Значна кількість низькоорбітальних космічних апаратів складають супутники дистанційного зондування Землі та вирішення наукових завдань. З розвитком технологій і засобів спостереження, підвищення роздільної здатності, підвищуються вимоги до точності прив'язки одержуваної цільової інформації до координат супутника в момент зйомки. У апостеріорного режимі для обробки знімків і наукових даних у багатьох випадках точність орбіти потрібно знати на рівні сантиметрів.

Для спеціальних космічних апаратів геодезичного класу (типу Lageos, Еталон), які спеціально створені з метою вирішення фундаментальних завдань вивчення Землі і уточнення моделей руху космічних апаратів, сантиметрові точності орбіт вже досягнуті. Але треба мати на увазі, що ці апарати літають за межами атмосфери і мають сферичну форму, щоб мінімізувати невизначеність збурень сонячного тиску. Для траєкторних вимірювань використовується глобальна міжнародна мережа лазерних далекомірів, що коштує недешево, і робота засобів сильно залежить від погодних умов.

Космічні апарати ДЗЗ і науки в основному літають на висотах до 2000 км, мають складну геометричну форму, в повній мірі відчувають обурення від атмосфери і сонячного тиску. Задіяти лазерні кошти міжнародних служб не завжди представляється можливим. Тому завдання отримання орбіт таких супутників з сантиметровою точністю є дуже непростою. Потрібне використання спеціальних моделей руху і методів обробки інформації. За останні 10-15 років у світовій практиці досягнуто значного прогресу для вирішення таких завдань з використанням бортових високоточних навігаційних приймачів ГНСС (в основному - GPS). Піонером у цій області виступив супутник Topex-Poseidon (спільний проект NASA-CNES, 1992-2005 рр., Висота 1 336 км, нахилення 66), точність орбіти якого ще 20 років тому була забезпечена на рівні 10 см (2,5 см по радіусу).

У найближче десятиліття в Російській Федерації заплановано до запуску досить багато космічних апаратів ДЗЗ для вирішення прикладних завдань різного призначення. В тому числі, для ряду космічних систем потрібно прив'язка цільової інформації з дуже високою точністю. Це завдання розвідки, картографування, моніторингу льодової обстановки, надзвичайних ситуацій, метеорології, а також радий фундаментальних наукових завдань в галузі вивчення Землі і світового океану, побудови високоточної динамічної моделі геоїда, високоточних динамічних моделей іоносфери і атмосфери. Точність положення космічного апарату вже потрібно знати на рівні сантиметрів на всьому витку орбіти. Мова йде про апостеріорної точності.

Це вже непросте завдання для космічної балістики. Мабуть, єдиний спосіб, який може забезпечити рішення цієї задачі, - використання вимірювань бортового навігаційного приймача ГНСС і відповідних засобів високоточної обробки навігаційної інформації на землі. У більшості випадків це комбінований приймач, що працює по системам GPS і ГЛОНАСС. У ряді випадків можуть бути висунуті вимоги застосування тільки системи ГЛОНАСС.

Експеримент з високоточного визначення орбіт за допомогою ГЛОНАСС

У нас в країні технологія отримання високоточних координат за допомогою навігаційних приймачів геодезичного класу досить добре відпрацьована для вирішення геодезичних і геодинамічних задач на поверхні Землі. Це технологія так званого високоточного позиціонування (precise point positioning). Особливістю технології є наступне:

* Для обробки вимірювань навігаційного приймача, координати якого необхідно уточнити, інформація з навігаційних кадрів сигналів ГНСС не використовується. Навігаційні сигнали використовуються тільки для вимірювань дальності, переважно на основі вимірів фази несучої частоти сигналу;

* В якості ефемеридних-часової інформації навігаційних космічних апаратів використовуються високоточні орбіти і поправки бортового годинника, які отримані на основі постійної обробки вимірювань глобальної мережі станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС. В основному зараз використовуються рішення Міжнародної служби ГНСС (IGS);

* Вимірювання навігаційного приймача, координати якого потрібно визначити, обробляються спільно з високоточної ефемеридних-часовою інформацією з використанням спеціальних методів обробки.

В результаті координати приймача (фазового центру антени приймача) можуть бути отримані з точністю одиниць сантиметрів.

Для вирішення наукових завдань, а також для задач землеустрою, кадастру, будівництва в Росії вже протягом декількох років такі кошти існують і широко застосовуються. У той же час, інформації про засоби, які можуть вирішувати завдання високоточного визначення орбіт низькоорбітальних КА, у автора до теперішнього часу не було.

Проведений кілька місяців тому ініціативний експеримент показав, що прототипи таких коштів у нас є, і вони можуть бути використані для створення штатних галузевих засобів високоточного балістико-навігаційного забезпечення низькоорбітальних КА.

В результаті експерименту підтверджено можливість використання існуючих прототипів для високоточного визначення орбіти низькоорбітальних КА на рівні кількох сантиметрів.

Для експерименту був обрані літаючий вітчизняний КА ДЗЗ «Ресурс-П» № 1 (околокруговая сонячно-синхронна орбіта з середньою висотою 475 км.), Оснащений комбінованим навігаційним приймачем ГЛОНАСС / GPS. Для підтвердження результату обробка даних була повторена для геодезичних КА системи GRACE (спільний проект NASA і DLR, 2002-2016 рр, висота 500 км, нахилення 90), на борту яких були встановлені приймачі GPS. Особливості експерименту такі:

* З метою оцінки можливостей системи ГЛОНАСС для визначення орбіти КА «Ресурс-П» (загальний вигляд представлений на рис. 1) використовувалися вимірювання тільки системи ГЛОНАСС (4 комплекти бортових навігаційних приймачів розробки ВАТ «РІРВ»);

* Для отримання орбіти КА системи GRACE (загальний вигляд представлений на рис. 2) використовувалися вимірювання тільки системи GPS (вимірювання знаходяться у вільному доступі);

* В якості асистуючої інформації використовувалися високоточні ефемериди і поправки бортового годинника навігаційних супутників систем ГЛОНАСС і GPS, які отримані в ІАЦ КВНО ЦНДІМАШ на основі обробки вимірювань станцій глобальної мережі IGS (дані знаходяться у вільному доступі). Оцінка точності цих даних службою IGS представлена ​​на рис. 3 і становить близько 2,5 см. Розташування глобальної мережі станцій ГЛОНАСС / GPS служби IGS представлено на рис. 4;

* Макетний зразок апаратно-програмного комплексу, що забезпечує високоточне визначення орбіти низькоорбітальних КА (ініціативна розробка ЗАТ «ГЕО-ЦУП»). Зразок також забезпечує декодування вимірювань бортових приймачів КА «Ресурс-П» з використанням високоточної ефемеридних-часової інформації та урахуванням особливостей сеансного роботи бортових приймачів. Макетний зразок пройшов відпрацювання за вимірюваннями КА системи GRACE.

Мал. 1. Загальний вигляд космічного апарату «Ресурс-П».

Мал. 2. Загальний вигляд КА системи GRACE.

Мал. 3. Оцінка точності ефемерид ІАЦ КВНО ЦНДІМАШ службою IGS. Точність асистуючої ефемеридної інформації навігаційних КА ГЛОНАСС (позначення - IAC, темно-сині точки на графіку) складає 2,5 см.

Мал. 4. Розташування глобальної мережі станцій ГЛОНАСС / GPS міжнародної служби IGS (джерело - http://igscb.jpl.nasa.gov/network/iglos.html).

В результаті експерименту отримано безпрецедентний результат для вітчизняного балістико-навігаційного забезпечення низькоорбітальних космічних апаратів:

* З урахуванням асистуючої інформації і реальних вимірів бортових навігаційних приймачів КА «Ресурс-П» тільки за вимірюваннями ГЛОНАСС була отримана високоточна орбіта цього КА з точністю 8-10 см (див. Рис. 5).

* З метою підтвердження результату в ході експерименту аналогічні розрахунки були проведені для геодезичних КА системи GRACE, але вже з використанням вимірювань GPS (див. Рис. 6). Точність орбіти цих КА була отримана на рівні 3-5 см, що повністю збігається з результатами провідних центрів аналізу служби IGS

Мал. 5. Точність орбіти КА «Ресурс-П», отриманої за вимірюваннями тільки ГЛОНАСС з використанням асистуючої інформації, оцінена за вимірюваннями чотирьох комплектів бортових навігаційних приймачів.

Мал. 6. Точність орбіти КА GRACE-B, отриманої за вимірюваннями тільки GPS з використанням асистуючої інформації.

Система АННКА першого етапу

На підставі результатів проведеного експерименту об'єктивно випливають висновки:

У Росії існує значний доробок вітчизняної розробки для вирішення завдань високоточного визначення орбіт низькоорбітальних КА на конкурентоспроможному рівні з закордонними центрами обробки інформації. На основі цього зачепила створення постійно діючого галузевого балістичного центру для вирішення такого роду завдань не зажадає великих витрат. Цей центр зможе надавати всім зацікавленим організаціям, яким потрібно прив'язка до координат інформації з супутників ДЗЗ, послуги з високоточного визначення орбіт будь-яких супутників ДЗЗ, оснащених апаратурою супутникової навігації ГЛОНАСС і / або ГЛОНАСС / GPS. У перспективі можуть використовуватися і вимірювання китайської системи BeiDou і європейської Galileo.

Вперше показано, що за вимірюваннями системи ГЛОНАСС при вирішенні високоточних завдань можна забезпечити точність рішень практично не гірше, ніж за вимірюваннями GPS. Підсумкова точність залежить в основному від точності асистуючої ефемеридної інформації і точності знання моделі руху низькоорбітальних КА.

Представлення результатів вітчизняних систем ДЗЗ з високоточної прив'язкою до координат різко підвищить її значимість і конкурентоспроможність (з урахуванням зростання і ринкової ціни) на світовому ринку результатів дистанційного зондування Землі.

Таким чином, для створення першої черги системи Асистуючої Навігації для низькоорбітальних КА (умовна назва - система АННКА) в Російській Федерації є в наявності (або знаходяться в стадії створення) всі складові частини:

* Є власне базове спеціальне програмне забезпечення, яке дозволяє незалежно від операторів ГЛОНАСС і GPS отримувати високоточну ефемеридних-часову інформацію;

* Є прототип спеціального програмного забезпечення, на основі якого в найкоротші терміни може бути створений штатний апаратно-програмний комплекс визначення орбіт низькоорбітальних КА з точністю на рівні сантиметрів;

* Є вітчизняні зразки бортових навігаційних приймачів, які дозволяють вирішувати завдання з такою точністю;

* Роскосмосом створюється власна глобальна мережа станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС.

Архітектура системи АННКА для реалізації першого етапу (апостеріорного режим) показана на рис. 7.

Функції системи наступні:

* Отримання вимірювань від глобальної мережі в центр обробки інформації системи АННКА;

* Формування високоточних ефемерид для навігаційних космічних апаратів систем ГЛОНАСС і GPS (в перспективі - для систем BeiDou і Galileo) в центрі АННКА;

* Отримання вимірювань бортової апаратури супутникової навігації, встановленої на борту низькоорбітального КА ДЗЗ і передача її в центр АННКА;

* Розрахунок високоточної орбіти КА ДЗЗ в центрі АННКА;

* Передача високоточної орбіти КА ДЗЗ в центр обробки даних наземного спеціального комплексу системи ДЗЗ.

Система може бути створена в найкоротші терміни, навіть в рамках існуючих заходів федеральної цільової програми підтримки, розвитку та використання системи ГЛОНАСС.

Мал. 7. Архітектура системи АННКА на першому етапі (апостеріорного режим), що забезпечує визначення орбіт низькоорбітальних КА на рівні 3-5 см.

Подальший розвиток

Подальший розвиток системи АННКА в напрямку реалізації режиму високоточного визначення та прогнозування орбіти низькоорбітальних КА в реальному часі на борту може докорінно змінити всю ідеологію балістико-навігаційного забезпечення такого роду супутників і повністю відмовитися від використання вимірювань наземних засобів командно-вимірювального комплексу. Важко сказати наскільки, але експлуатаційні витрати на балістико-навігаційне забезпечення будуть скорочені значно, враховуючи оплату роботи наземних засобів і персоналу.

У США в NASA така система створена більше 10 років тому на базі зв'язковий супутникової системи для забезпечення управління космічними апаратами TDRSS і створеної ще раніше глобальної системи високоточної навігації GDGPS. Система отримала назву TASS. Вона забезпечує асистуючої інформацією всі наукові космічні апарати і супутники ДЗЗ на низьких орбітах з метою вирішення на борту завдань визначення орбіт в реальному часі на рівні 10-30 см.

Архітектура системи АННКА на другому етапі, що забезпечує рішення задач визначення орбіт на борту з точністю 10-30 см в реальному часі, показана на рис. 8:

Функції системи АННКА на другому етапі такі:

* Отримання вимірювань від станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС глобальної мережі в реальному часі в центр обробки даних АННКА;

* Формування високоточних ефемерид для навігаційних космічних апаратів систем ГЛОНАСС і GPS (в перспективі - для систем BeiDou і Galileo) в центрі АННКА в реальному часі;

* Закладка високоточних ефемерид на КА-ретранслятор зв'язкових систем (постійно, в режимі реального часу);

* Ретрансляція високоточних ефемерид (асистуючої інформації) супутниками-ретрансляторами для низькоорбітальних КА ДЗЗ;

* Отримання високоточної положення КА ДЗЗ на борту за допомогою спеціальної апаратури супутникової навігації, здатної обробляти прийняті навігаційні сигнали ГНСС спільно з компанією, що асистує інформацією;

* Передача цільової інформації з високоточної прив'язкою до центру обробки даних наземного спеціального комплексу ДЗЗ.

Мал. 8. Архітектура системи АННКА на другому етапі (режим реального часу), що забезпечує визначення орбіт низькоорбітальних КА на рівні 10-30 см в реальному часі на борту.

Проведений аналіз існуючих можливостей, експериментальні результати показують, що в Російській Федерації є хороший заділ для створення системи високоточної асистуючої навігації низькоорбітальних космічних апаратів, що дозволить значно скоротити витрати на управління цими апаратами і скоротити відставання від провідних космічних держав в області високоточної навігації КА у вирішенні актуальних наукових і прикладних задач. Для того щоб зробити необхідний крок в еволюції технології управління низькоорбітальними КА, необхідно тільки прийняти відповідне рішення.

Система АННКА першого етапу може бути створена вже в найкоротші терміни з мінімальними витратами.

Для переходу до другого етапу буде потрібно реалізувати комплекс заходів, який повинен бути передбачений в рамках державних або федеральних цільових програм:

* Створення спеціальної зв'язковий супутникової системи для забезпечення безперервного управління навколоземними космічними апаратами, або на геостаціонарній орбіті, або на похилих геосинхронной орбітах;

* Модернізація апаратно-програмного комплексу формування асистуючої ефемеридної інформації в реальному часі;

* Завершення створення російської глобальної мережі станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС;

* Розробка і організація виробництва бортових навігаційних приймачів, здатних обробляти навігаційні сигнали ГНСС спільно з компанією, що асистує інформацією в реальному часі.

Реалізація цих заходів - серйозна, але цілком реалізована робота. Вона може бути виконана підприємствами ОРКК з урахуванням вже запланованих заходів в рамках Федеральної космічної програми і в рамках Федеральної цільової програми підтримки, розвитку та використання системи ГЛОНАСС з урахуванням відповідних коригувань. Оцінка витрат на її виробництво і економічного ефекту - необхідний етап, який повинен бути зроблений з урахуванням запланованих проектів створення космічних систем комплексів дистанційного зондування Землі, систем супутникового зв'язку, космічних систем і комплексів наукового призначення. Є абсолютна впевненість, що ці витрати себе виправдають.

На закінчення автор висловлює щиру подяку провідним фахівцям в області вітчизняної супутникової навігації Аркадію Тюляково, Володимиру Мітрікасу, Дмитру Федорову, Івану Скакуну за організацію експерименту і надання матеріалів для даної статті, міжнародної службі IGS і її керівникам - Урсу Хугентоблю і Рут Нілан - за надану можливість в повному обсязі використовувати вимірювання глобальної мережі станцій прийому навігаційних сигналів, а також всім тим, хто допомагав і не заважав.

Б.А. Дворкін

Активне впровадження інформаційних супутникових технологій як складової частини бурхливо розвивається інформатизації суспільства кардинально змінює умови життя і діяльності людей, їх культуру, стереотип поведінки, спосіб мислення. Ще кілька років тому на побутові або автомобільні навігатори дивилися як на диво. Космічні знімки високої роздільної здатності на Інтернет-сервісах, таких, наприклад, як Google Earth, люди розглядали і не переставали захоплюватися. Зараз же жоден автомобіліст (якщо в автомобілі поки немає навігатора) не вийде з будинку, попередньо не вибравши в навігаційному порталі оптимальний маршрут з урахуванням пробок. Навігаційне обладнання встановлюється на рухомому складі громадського транспорту, в тому числі і для цілей контролю. Космічні знімки використовуються для отримання оперативної інформації в районах стихійних лих і для вирішення різних завдань, наприклад, муніципального управління. Приклади можна множити і всі вони підтверджують той факт, що результати космічної діяльності стали невід'ємною частиною сучасного життя. Не дивно також, що різні космічні технології часто використовуються спільно. Звідси, звичайно, ідея інтеграції технологій і створення єдиних наскрізних технологічних ланцюжків лежить на поверхні. В цьому сенсі не є винятком технології дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) з космосу і глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС). Але про все по порядку ...

Глобальна навігаційна супутникова система

Глобальна навігаційна супутникова система (ГНСС) - комплекс технічних і програмних засобів, що дозволяють отримати свої координати в будь-якій точці земної поверхні шляхом обробки супутникових сигналів. Основними елементами будь-ГНСС є:

• орбітальне угруповання супутників;
• наземна система управління;
• приймальне обладнання.

Супутники постійно передають інформацію про своє становище на орбіті, наземні стаціонарні станції забезпечують моніторинг і контроль положення супутників, а також їх технічного стану. Приймальне обладнання являє собою різні супутникові навігатори, які використовуються людьми у своїй професійній діяльності або побуті.

Принцип роботи ГНСС заснований на вимірюванні відстані від антени приймального пристрою до супутників, положення яких відомо з великою точністю. Відстань обчислюється за часом затримки поширення сигналу, що передається супутником на приймач. Для визначення координат приймача досить знати положення трьох супутників. На ділі використовуються сигнали з чотирьох (або більше) супутників - для усунення погрішності, викликаної різницею між годинами супутника і приймача. Знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, програма «зашита» в навігатор обчислює його положення в просторі, таким чином, ГНСС дозволяє швидко визначити місце розташування з високою точністю в будь-якій точці земної поверхні, в будь-який час, за будь-яких погодних умовах . Кожен супутник системи, крім основної інформації, передає також допоміжну, необхідну для безперервної роботи приймальних пристроїв, в т. Ч. Повну таблицю положення всієї супутникового угруповання, передану послідовно протягом декількох хвилин. Це необхідно для прискорення роботи приймальних пристроїв. Слід зазначити важливу характеристику основних ГНСС - для користувачів, що володіють супутниковими приймачами (навігаторами) отримання сигналів безкоштовно.

Загальним недоліком використання будь-навігаційної системи є те, що при певних умовах сигнал може не доходити до приймача, або приходити зі значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження всередині залізобетонного будівлі, в тунелі, в густому лісі. Для вирішення цієї проблеми використовуються додаткові навігаційні сервіси, такі, наприклад, як A-GPS.

Сьогодні в космосі працює кілька ГНСС (табл. 1), що знаходяться на різних етапах свого розвитку:

• GPS(Або NAVSTAR) - управляється Міністерством оборони США; в даний час єдина повністю розгорнута ГНСС доступна цілодобово користувачам по всьому світу;
• ГЛОНАСС- російська ГНСС; знаходиться в стадії завершення повного розгортання;
• Galileo- європейська ГНСС, що знаходиться на етапі створення супутникового угруповання.

Згадаємо також національні регіональні ГНСС Китаю і Індії, відповідно - Бейдоу і IRNSS, що знаходяться на стадії розробки та розгортання; відрізняється невеликою кількістю супутників і національно-орієнтовані.

Характеристика основних ГНСС станом на березень 2010 р

Розглянемо деякі особливості кожної ГНСС.

GPS

Основою американської системи GPS є супутники (рис. 2), що облітають Землю по 6 круговим орбітальним траєкторіях (по 4 супутника в кожній), на висоті приблизно 20 180 км. Супутники передають сигнали в діапазонах: L1 = 1575,42 МГц і L2 = 1227,60 МГц, останні моделі також в діапазоні L5 = 1176,45 МГц. Повну працездатність системи забезпечують 24 супутника, проте, для збільшення точності позиціювання і резерву на випадок збоїв, загальне число супутників на орбіті в даний час складає 31 апарат.

Мал. 1 Космічний апарат GPS Block II-F

Спочатку GPS призначалася тільки для військових цілей. Перший супутник був виведений на орбіту 14 липня 1974 г., а останній з усіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р Стало можливим використовувати GPS для точного наведення ракет на нерухомі, а потім і на рухливі об'єкти в повітрі і на землі. Для обмеження доступу до точної навігаційної інформації для цивільних користувачів вводилися спеціальні перешкоди, проте з 2000 р вони були скасовані, після чого точність визначення координат за допомогою найпростішого цивільного GPS-навігатора становить від 5-15 м (висота визначається з точністю до 10 м) і залежить від умов прийому сигналів в конкретній точці, кількості видимих ​​супутників і ряду інших причин. Використання глобальної системи поширення диференціальних поправок WAAS підвищує точність позиціонування GPS для Північної Америки до 1-2 м.

ГЛОНАСС

Перший супутник російської супутникової системи навігації ГЛОНАСС був виведений на орбіту ще в радянські часи - 12 жовтень 1982 р Частково система була введена в експлуатацію в 1993 р і складалася з 12 супутників. Основою системи повинні бути 24 супутники, що рухаються над поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах з нахилом 64,8 ° і висотою 19 100 км. Принцип вимірювання і діапазони передачі сигналів аналогічні американській системі GPS ГЛОНАСС.

Мал. 2 Космічний апарат ГЛОНАСС-М

В даний час на орбіті знаходяться 23 супутників ГЛОНАСС (рис. 2). Останні три космічні апарати були виведені на орбіту 2 березня 2010 р Зараз використовуються за цільовим призначенням - 18 супутників. Це забезпечує безперервну навігацію майже на всій території Росії, причому, Європейська частина забезпечена сигналом майже на 100%. За планами повністю система ГЛОНАСС буде розгорнута до кінця 2010 р

В даний час точність визначення координат системою ГЛОНАСС трохи нижче аналогічних показників для GPS (не перевищує 10 м), при цьому слід зазначити, що спільне використання обох навігаційних систем істотно підвищує точність позиціонування. Для поліпшення роботи систем GPS, ГЛОНАСС і Galileo на території Європи і підвищення їх точності служить Європейська геостаціонарна служба навігаційного покриття (EGNOS).

Galileo

Європейська ГНСС Galileo призначена для вирішення навігаційних завдань для будь-яких рухомих об'єктів з точністю менше 1 м. На відміну від американської GPS і російської ГЛОНАСС, Galileo не контролюється військовими відомствами. Її розробку здійснює Європейське космічне агентство. В даний час на орбіті знаходяться 2 тестових супутника GIOVE-A (рис. 3) і GIOVE-B, запущених, відповідно в 2005 і 2008 рр. Планується, що навігаційна система Galileo повністю буде розгорнута в 2013 р і буде складатися з 30 супутників.

Мал. 3 Космічний апарат GIOVE-A

СУПУТНИКОВІ НАВІГАТОРИ

Як уже зазначалося, складовою частиною будь-якої супутникової навігаційної системи є приймальне обладнання. Сучасний ринок навігаційних приймачів (навігатори) відрізняється таким же різноманіттям, як і ринок будь-якої іншої електронної та телекомунікаційної продукції. Всі навігатори можна поділити на професійні прийомні пристрої і приймачі, які використовуються широким колом користувачів. Зупинимося докладніше на останніх. Для них використовуються різні назви: GPS-навігатори, GPS-трекери, GPS-приймачі, супутникові навігатори і т. Д. Останнім часом популярними стають навігатори, вбудовані в інші пристрої (кишенькові комп'ютери, мобільні телефони, комунікатори, годинник і т. Д .). Серед власне супутникових навігаторів особливий великий клас складають автомобільні навігатори. Широке поширення отримують і навігатори, призначені для піших, водних і т. Д. Походів (їх часто називають просто GPS-навігатори, незважаючи на те, що вони можуть приймати і сигнали ГЛОНАСС).

Обов'язковою приналежністю практично всіх персональних навігаторів є GPS-чіпсет (або ресивер), процесор, оперативна пам'ять і монітор для відображення інформації.

Сучасні автомобільні навігатори здатні прокладати маршрут з урахуванням організації дорожнього руху та здійснювати адресний пошук. Особливістю персональних навігаторів для туристів є, як правило, можливість прийому супутникового сигналу в складних умовах, наприклад густого лісу або гірській місцевості. Деякі моделі мають водонепроникний корпус підвищеної удароустойчивости.

Основними виробниками персональних супутникових навігаторів є:

• Garmin (США; навігатори для повітряного, автомобільного, мото- і водного транспорту, а також для туристів і спортсменів)
• GlobalSat (Тайвань; навігаційне обладнання різного призначення, в т. Ч. GPS-приймачі)
• Ashtech (кол. Magellan) (США; персональні і професійні навігаційні приймачі)
• MiTac (Тайвань; автомобільні та туристичні навігатори, кишенькові персональні комп'ютери й комунікатори з вбудованим GPS-приймачем під брендами Mio, Navman, Magellan)
• ThinkWare (Корея; персональні навігаційні пристрої під брендом I-Navi)
• TomTom (Нідерланди; автомобільні навігатори) і ін.

Професійне навігаційне обладнання, в т. Ч. Для інженерно-геодезичних і маркшейдерських робіт виробляють такі компанії як Trimble, Javad (США), Topcon (Японія), Leica Geosystems (Швейцарія) та ін.

Як уже зазначалося, в даний час випускається велика кількість персональних навігаційних пристроїв, що розрізняються за своїми можливостями і ціною. Ми в якості ілюстрації опишемо особливості тільки одного досить «просунутого» приладу, для того, щоб охарактеризувати можливості всього класу сучасних GPS-навігаторів. Це - одна з останніх новинок популярної серії автомобільних навігаторів - TomTom GO 930 (Опис взято з сайту GPS-Клубу - http://gps-club.ru).

Модель навігатора TomTom GO 930 (рис. 6) поєднує в собі останні тенденції автомобільної навігації - карти кількох континентів, бездротову гарнітуру і унікальну технологію Map Share ™

Мал. 4 Автомобільний навігатор TomTom GO 930

Всі пристрої TomTom розробляються самою компанією і є повністю «plug & play», і це означає, що їх можна просто вийняти з коробки і почати використовувати, не читаючи довгих інструкцій. Інтуїтивно зрозумілий інтерфейс і «іконки» російською мовою, дозволять водіям легко прокласти маршрут. Ясні голосові інструкції російською мовою допомагають автомобілістам дістатися до пункту призначення легко і без зайвого стресу. Навігатор підтримує функцію бездротового управління і технологію Enhanced Positioning Technology (EPT), створену для безперервної навігації навіть у тунелях або щільно забудованих областях.

Постачальником навігаційних карт TomTom є Tele Atlas, що входить в TomTom Group. На додаток до того, що TomTom має повністю русифіковані карти, це єдиний постачальник рішень для навігації, який пропонує карти Європи і США на обраних моделях навігаторів.

Інфраструктура доріг світу змінюється на 15% щорічно. Тому TomTom дає своїм користувачам можливість безкоштовного завантаження останньої версії карт протягом 30 днів з моменту першого користування навігатором, а також доступ до унікальної технології Map Share ™. Користувачі навігаторів TomTom можуть завантажити нову карту через сервіс TomTom HOME. Таким чином, остання версія карти може бути доступна в будь-який час. Більш того, автомобілісти можуть користуватися технологією Map Share ™ - це безкоштовне оновлення карти вручну прямо на навігаторі, як тільки стають відомі зміни на дорогах, шляхом всього лише декількох торкань сенсорного екрану. Користувачі можуть вносити зміни назв вулиць, обмеження швидкості на певних відрізках шляху, напрямку руху, перекриті проїзди, а також зміни в POI (точки інтересу).

Унікальна технологія TomTom по спільному використанню карт розширює навігаційні функції: тепер користувач може миттєво вносити зміни безпосередньо в свою карту. Крім того, користувач може отримувати дані про аналогічні зміни, виконаних вся спільнота TomTom.

Функція такого спільного використання карт дозволяє:

• щодня і негайно вносити зміни в карти Вашого пристрою TomTom;
• отримувати доступ до найбільшого в світі співтовариства користувачів навігаційних пристроїв;
• щодня ділитися оновленнями з іншими користувачами TomTom;
• отримувати повний контроль над завантажуються оновленнями;
• в будь-якій місцевості використовувати найкращі і точні карти.

КАРТИ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНИХ супутникових навігаторів

Сучасні навігатори немислимі без наявності в них повноцінних великомасштабних карт, які показують об'єкти не тільки маршруту руху, а й на всій території огляду (рис 7).

Мал. 5 Зразок мелкомасштабной навігаційної карти

В навігатори можна завантажувати як растрові так і векторні карти. Про один з видів растрової інформації ми поговоримо окремо, а тут же зауважимо, що відскановані і завантажені в GPS-приймачі паперові карти - не найкращий спосіб відображення просторової інформації. Крім невисокої точності позиціювання, виникає також проблема прив'язки координат карти до координат, що видаються приймачем.

Векторні цифрові карти, особливо в ГІС-форматах, являють собою фактично базу даних, де зберігається інформація про координати об'єктів у вигляді, наприклад, «шейп-файлів» і, окремо, якісні та кількісні характеристики. При такому підході в пам'яті навігаторів, інформація займає набагато менше місця і з'являється можливість завантажувати велику кількість корисної довідкової інформації: бензозаправні станції, готелі, кафе і ресторани, стоянки, пам'ятки і т. Д.

Як вже говорилося вище, існують навігаційні системи, що дозволяють користувачеві доповнювати карти навігатора своїми власними об'єктами.

У деяких персональних навігаційних пристроях, особливо, призначених для туристів, існує можливість наносити об'єкти самому (т. Е. Фактично складати власні карти і схеми). Для цих цілей передбачений спеціальний нескладний графічний редактор.

Варто окремо зупинитися на режимних питаннях. Як відомо, в Росії, до сих пір існують обмеження на використання великомасштабних топографічних карт. Це в достатній мірі стримує розвиток навігаційної картографії. Слід, однак, відзначити, що в даний час Федеральна служба державної реєстрації, кадастру і картографії (Росррестр) поставила завдання до 2011 р мати повне покриття РФ (економічно розвинених районів і міст) цифровими навігаційними картами масштабів 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000. На цих картах будуть відображатися навігаційна інформація, представлена ​​графом доріг, цифрова картографічна підкладка і тематична інформація (об'єкти придорожньої інфраструктури і сервісу).

НАВІГАЦІЙНІ СЕРВІСИ

Розвиток і вдосконаленням супутникових навігаційних систем і приймальних пристроїв, а також всі активне впровадження в життя WEB-технологій та WEB-сервісів послужило поштовхом до появи різних навігаційних сервісів. Багато моделей навігаторів здатні приймати і враховувати при прокладанні маршруту інформацію про ситуацію на дорогах, по можливості уникаючи транспортних заторів. Дані про трафік (пробках) надаються спеціалізованими службами і сервісами, по GPRS протоколу або з радіо ефіру по каналах RDS діапазону FM.

Космічні СНИМКИ В навігатор

Будь-які навігаційні карти досить швидко застарівають. Поява космічних зйомок надвисокої роздільної просторового дозволу (в даний час космічні апарати WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 забезпечують дозвіл до 50 см) дають картографії потужний інструмент оновлення змісту карт. Однак після оновлення карти і до її випуску і можливості «завантаження» в навігаційний пристрій проходить чимало часу. Космічні знімки надають можливість відразу отримати в навігаторі найактуальнішу інформацію.

Особливий інтерес з точки зору використання космічних знімків є, т. Н. LBS-служби. LBS (Location-based service) являє собою сервіс, в основі якого - визначення місця розташування мобільного телефону. З урахуванням повсюдного розвитку мобільного зв'язку та розширення послуг, що надаються стільниковими операторами, можливості ринку LBS-сервісів важко переоцінити. LBS не обов'язково використовують GPS-технології для визначення місця розташування. Місцезнаходження також може бути визначено з використанням базових станцій стільникових мереж GSM і UMT.

Мал. 6 Космічний знімок в мобільному телефоні Nokia

Виробники мобільних телефонів і навігаційних пристроїв, надаючи послуги LBS, все більше уваги приділяють космічними знімками. Наведемо як приклад компанію Nokia (Фінляндія), яка підписала в 2009 р угоду з компанією DigitalGlobe, оператором супутників надвисокої роздільної здатності WorldView-1, WorldView-2 і QuickBird, про забезпечення користувачів сервісу Ovi Maps доступом до космічних знімків (зауважимо, що Ovi - новий бренд компанії Nokia для Інтернет-сервісів).

Крім наочності при навігації по міських територій (рис. 8), дуже корисно мати підкладку у вигляді космічних знімків, подорожуючи по маловивченою території, на яку немає свіжих і детальних карт. Сервіс Ovi Maps може бути завантажений практично в усі пристрої Nokia.

Інтеграція космічних знімків надвисокої роздільної здатності в LBS-сервіси дозволяє на порядок підвищити їх функціональність.

Одна з перспективних можливостей використання даних дистанційного зондування Землі з космосу - створення по ним тривимірних моделей. Тривимірні карти відрізняються великою наочністю, і дозволяють краще орієнтуватися, особливо в умовах міської забудови (рис. 9).

Мал. 7 Тривимірна навігаційна карта

На закінчення відзначимо велику перспективність використання ортотрансформірованних знімків надвисокої роздільної здатності в супутникових навігаторах і LBS-сервісах. Компанія «Совзонд» випускає продукти ОРТОРЕГІОН і ОРТО10, які базуються на ортотрансформірованних знімках з космічних апаратів ALOS (ОРТОРЕГІОН) і WorldView-1, WorldView-2 (ОРТО10). Ортотрансформірованіе окремих сцен виконується за методом коефіцієнтів раціональних поліномів (RPC) без використання наземних опорних точок, що суттєво здешевлює роботу. Проведені дослідження показали, що за своїми характеристиками продукти ОРТОРЕГІОН і ОРТО10 цілком можуть служити основою для поновлення навігаційних карт, відповідно масштабів 1:25 000 і 1:10 000. Ортофотомозаікі, що представляють собою фактично фотокарти, доповнені підписами, можуть також безпосередньо завантажуватися в навігатори.

Інтеграція космічних знімків високого дозволу в навігаційні системи та LBS-сервіси, дозволяє на порядок підвищити їх функціональність, зручність і ефективність використання.

Слово «супутник» в значенні літального апарату з'явилося в нашій мові завдяки Федору Михайловичу Достоєвському, який міркував про те, «що стане в просторі з сокирою? .. Якщо куди потрапить подалі, то прийметься, я думаю, літати навколо Землі, сам не знаючи навіщо, у вигляді супутника ... ». Що спонукало письменника на подібні міркування, сьогодні сказати важко, але через століття на початку жовтня 1957 року навколо нашої планети взявся літати зовсім навіть не сокира, а складний на той час апарат, що став першим штучним супутником, посланим в космос з абсолютно певними цілями . А за ним пішли й інші

Особливості «поведінки»

Сьогодні до супутників порушників спокійній картини нічного неба все давно звикли. Створені на заводах і запущені на орбіту, вони продовжують «кружляти» на благо людства, залишаючись незмінно цікавими хіба що вузькому колу фахівців. Що ж являють собою штучні супутники і яку користь з них витягує людина?

Як відомо, одним з головних умов виходу супутника на орбіту є його швидкість 7,9 км / с для низькоорбітальних супутників. Саме при такій швидкості настає динамічна рівновага і відцентрова сила врівноважує силу тяжіння. Іншими словами, супутник летить настільки швидко, що не встигає впасти на земну поверхню, оскільки Земля в прямому сенсі слова йде у нього «з-під ніг» через те, що вона кругла. Чим більше початкова швидкість, повідомлена супутнику, тим вищою буде його орбіта. Однак у міру віддалення від Землі швидкість на круговій орбіті падає і геостаціонарні супутники рухаються по своїх орбітах зі швидкістю всього 2,5 км / с. При вирішенні задачі тривалого і навіть вічного існування космічного апарату (КА) на навколоземній орбіті необхідно піднімати його на все більшу висоту. Варто зауважити, що на рух КА істотно впливає і атмосфера Землі: навіть будучи сверхразреженной на висотах понад 100 км від рівня моря (умовної межі атмосфери), вона помітно гальмує їх. Так що з часом все КА втрачають висоту польоту і термін їх перебування на орбіті безпосередньо залежить від цієї висоти.

Із Землі супутники видно тільки вночі і в ті моменти часу, коли вони освітлені Сонцем, тобто не потрапляють в область земної тіні. Необхідність збігу всіх перерахованих факторів призводить до того, що тривалість спостереження більшості низькоорбітальних супутників становить в середньому по 10 хвилин перед входом і стільки ж після виходу з тіні Землі. При бажанні земні спостерігачі можуть систематизувати супутники по яскравості (на першому місці тут знаходиться Міжнародна космічна станція (МКС) її яскравість наближається до першої зоряної величини), по періодичності мерехтіння (яка визначається вимушеним або спеціально заданим обертанням), у напрямку руху (через полюс або в іншому напрямку). На умови спостереження супутників істотно впливають колір його покриття, наявність і розмах сонячних батарей, а також висота польоту чим вона більша, тим повільніше рухається супутник і тим істотно менш яскравим і помітним він стає.

Велика висота польоту (мінімальна відстань до Землі 180 200 км) краде розмір навіть таких відносно великих КА, як орбітальні комплекси «Мир» (зведений з орбіти в 2001 році) або МКС, всі вони видно, як крапки, що світяться, більшою чи меншою яскравості. Простим оком, за рідкісним винятком, впізнати супутник неможливо. Для цілей точної ідентифікації КА використовують різні оптичні засоби від біноклів до телескопів, що простому спостерігачеві не завжди доступно, а також розрахунки їх траєкторій руху. Пізнати окремі КА астроному-любителю допомагає Інтернет, де публікується інформація про місцезнаходження супутників на навколоземній орбіті. Зокрема, будь-який бажаючий може увійти на сайт NASA, де в режимі реального часу відображається поточне місцезнаходження МКС.

Що ж стосується практичного застосування супутників, то починаючи з самих перших запусків вони відразу стали вирішувати конкретні завдання. Так, політ першого супутника був використаний для дослідження з космосу магнітного поля Землі, а його радіосигнал ніс в собі дані про температуру всередині герметичного корпусу супутника. Оскільки запуск космічного апарату задоволення досить дороге, та до того ж вельми складне в реалізації, то на кожен з запусків покладається відразу кілька завдань.

Перш за все вирішуються технологічні проблеми: відпрацювання нових конструкцій, систем управління, передачі даних тощо. Отриманий досвід дозволяє створювати такі екземпляри супутників більш досконалими і поступово переходити до вирішення ускладнених цільових завдань, що виправдовують витрати по їх створенню. Адже кінцевою метою цього виробництва, як і будь-якого іншого, є отримання прибутку (комерційні запуски) або максимально ефективне використання супутників в процесі експлуатації для цілей оборони, рішення геополітичних і багатьох інших завдань.

Слід нагадати, що космонавтика в цілому народилася внаслідок військово-політичного протистояння СРСР і США. І, звичайно, як тільки з'явився перший супутник, оборонні відомства обох країн, налагодивши контроль за космічним простором, ведуть з тих пір постійний облік всіх об'єктів, що знаходяться в найближчих околицях Землі. Так що, напевно, тільки їм відомо точне число КА, так чи інакше функціонують на даний момент. При цьому відслідковуються не тільки самі космічні апарати, а й доставили їх на орбіту останні ступені ракет, перехідні відсіки і інші елементи. Тобто, строго кажучи, супутником вважається не тільки те, що має «інтелект» власну систему управління, спостереження і зв'язку, а й простий болт, який відділився від КА на черговий фазі польоту.

За даними каталогу Космічного командування США станом на 31 грудня 2003 року, таких супутників на навколоземній орбіті зареєстровано 28 140, і число їх неухильно зростає (враховуються об'єкти розміром більше 10 см). Згодом, в силу природних причин, частина супутників падає на Землю у вигляді оплавлених залишків, але багато хто залишається на орбітах протягом десятиліть. Коли КА відпрацьовують свій ресурс і перестають підкорятися командам з Землі, продовжуючи при цьому літати, в навколоземному космічному просторі стає не просто тісно, ​​але часом і небезпечно. Тому при запуску на орбіту нового апарату, щоб уникнути зіткнення і катастрофи, необхідно постійно знати про те, де знаходиться «старий».

Класифікація КА є завданням досить трудомісткою, оскільки кожен апарат унікальний, а коло завдань, що вирішуються новими КА, постійно розширюється. Однак якщо розглядати космічні апарати з точки зору практичної користі, то можна виділити основні категорії, які визначаються їх цільовим призначенням. Найбільш затребуваними на сьогоднішній день є супутники зв'язку, навігаційні, дистанційного зондування Землі та наукові. Супутники військового призначення та супутники-розвідники складають окремий клас, але по суті своїй вони вирішують ті ж завдання, що і їх «мирні» побратими.

Супутники-зв'язківці

Зв'язківці одними з перших отримали практичну вигоду від запуску супутників. Виведення на навколоземну орбіту супутників-ретрансляторів дозволило в найкоротші терміни вирішити проблему стійкої всепогодної зв'язку на більшій частині населеної території. Першим комерційним супутником був саме супутник зв'язку «Ехо-2», запущений США в 1964 році і дозволив організувати передачу телевізійних програм з Америки в Європу без використання кабельних ліній зв'язку.

В цей же час свій супутник зв'язку «Молния-1» був створений і в Радянському Союзі. Після розгортання наземної мережі станцій «Орбіта» усі регіони нашої великої країни отримали доступ до Центральному телебаченню, а крім того, була вирішена проблема організації надійного та якісного телефонного зв'язку. Супутники зв'язку «Блискавка» розміщувалися на високоеліптичних орбітах з апогеєм в 39 000 км. Для цілей безперервного мовлення була розгорнута ціла угруповання супутників «Блискавка», що літали в різних орбітальних площинах. Наземні станції мережі «Орбіта» були забезпечені досить великими антенами, які за допомогою сервоприводів відстежували рух супутника по орбіті, періодично перемикаючись на той, який знаходиться в зоні видимості. З плином часу в процесі вдосконалення елементної бази і поліпшення технічних параметрів бортових і наземних систем відбулася зміна кількох поколінь таких супутників. Але і до цього дня угруповання супутників сімейства «Блискавка-3» забезпечують передачу інформації по всій території Росії і за її межі.

Створення потужних ракет-носіїв типу «Протон» і «Дельта» дозволило забезпечити доставку супутників зв'язку на геостаціонарну кругову орбіту. Її особливість полягає в тому, що на висоті 35 800 км кутова швидкість обертання супутника навколо Землі дорівнює кутової швидкості обертання самої Землі. Тому супутник, що знаходиться на такій орбіті в площині земного екватора, як би висить над однією точкою, а 3 геостаціонарних супутника, розташованих під кутом 120 °, забезпечують огляд всієї поверхні Землі, за винятком тільки приполярних районів. Оскільки завдання підтримки свого заданого положення на орбіті покладається на сам супутник, то використання геостаціонарних космічних апаратів дозволило істотно спростити наземні засоби прийому-передачі інформації. Відпала необхідність забезпечувати антени приводами вони стали статичними, і для організації каналу зв'язку їх досить виставити лише одного разу, під час першого налаштування. В результаті наземна мережа користувачів виявилася істотно розширеної, і інформація стала надходити безпосередньо споживачеві. Свідчення того безліч параболічних антен-тарілок, розташованих на житлових будинках як в великих містах, так і в сільській місцевості.

Спочатку, коли космос був «доступний» тільки для СРСР і США, кожна з країн дбала виключно про задоволення власних потреб і амбіцій, але з часом стало зрозуміло, що супутники потрібні всім, і в підсумку поступово почали з'являтися інтернаціональні проекти. Один з них створена в кінці 1970-х років загальнодоступна система глобального зв'язку ІНМАРСАТ. Основним її призначенням було надання морським судам стійкого зв'язку при знаходженні у відкритому морі і координація дій під час рятувальних операцій. Зараз мобільний зв'язок через систему супутникового зв'язку ІНМАРСАТ забезпечується за допомогою переносного терміналу розміром з невеликий кейс. При відкритті кришки «валізки» з вмонтованою в неї плоскою антеною і наведенні цієї антени в передбачуваний район знаходження супутника встановлюється двостороння голосовий зв'язок, і обмін даними відбувається зі швидкістю до 64 кілобіт в секунду. Причому сьогодні чотири сучасних супутника забезпечують зв'язок вже не тільки на морі, але і на суші, охоплюючи величезну територію, що простягається від Північного до Південного полярного кола.

Подальша мініатюризація засобів зв'язку і використання на космічних апаратах високоефективних антен привели до того, що супутниковий телефон придбав «кишеньковий» формат, який мало чим відрізняється від звичайного стільникового.

У 1990-х роках майже одночасно почалося розгортання відразу декількох систем мобільного персонального супутникового зв'язку. Спочатку з'явилися низькоорбітальні IRIDIUM ( «Ірідіум») і GLOBAL STAR ( «Глобал Стар»), а потім геостаціонарна THURAYA ( «Турайа»).

Система супутникового зв'язку «Турайа» має в своєму складі поки 2 геостаціонарних супутника, що дозволяють підтримувати зв'язок на більшій частині Африканського континенту, на Аравійському півострові, на Середньому Сході і в Європі.

Системи «Ірідіум» і «Глобал Стар», схожі за своєю структурою, використовують угруповання з великого числа низькоорбітальних супутників. Космічні апарати по черзі пролітають над абонентом, змінюючи один одного, підтримуючи тим самим безперервний зв'язок.

У «Ірідіум» входить 66 супутників, що обертаються на кругових орбітах (висота 780 км від поверхні Землі, нахил 86,4 °), розміщених в шести орбітальних площинах, по 11 апаратів в кожній. Ця система забезпечує 100-відсоткове покриття нашої планети.

«Глобал Стар» включає в себе 48 супутників, що літають в восьми орбітальних площинах (висота 1 414 км від поверхні Землі, нахил 52 °), по 6 апаратів в кожній, забезпечуючи 80-відсоткове покриття, виключаючи приполярні райони.

Між двома цими системами супутникового зв'язку існує принципова відмінність. У «Ірідіум» телефонний сигнал, що надійшов на супутник з Землі, передається по ланцюжку на наступний супутник до тих пір, поки не досягне того, який в даний момент знаходиться в зоні видимості однієї з наземних приймальних станцій (станцій сполучення). Така схема організації дозволяє при мінімумі витрат на створення наземної інфраструктури в найкоротші терміни після розгортання орбітального складової приступити до її експлуатації. В «Глобал Стар» ж трансляція сигналу з супутника на супутник не передбачена, тому цій системі необхідна більш щільна мережа наземних приймальних станцій. А так як в ряді районів планети вони відсутні, суцільного глобального покриття не відбувається.

Практична користь від застосування персональних засобів супутникового зв'язку сьогодні стала очевидною. Так, в процесі сходження на Еверест в червні 2004 року російські альпіністи мали можливість використовувати телефонний зв'язок через «Ірідіум», що значно знижувало напруження тривоги всіх тих, хто стежив за долею альпіністів під час цього важкого і небезпечного заходу.

ПП з екіпажем корабля «СоюзТМА-1» в травні 2003 року, коли після повернення на Землю рятувальники протягом 3 годин не могли виявити космонавтів в казахському степу, також спонукало керівників програми МКС забезпечити космонавтів супутниковим телефоном «Ірідіум».

Супутники-навігатори

Ще одним досягненням сучасної космонавтики є приймач системи глобального позиціонування. Створюватися існуючі нині супутникові системи глобального позиціонування американська GPS (NAVSTAR) і російська «ГЛОНАСС» почали ще 40 років тому, в період «холодної війни», для точного визначення координат балістичних ракет. Для цих цілей в якості доповнення до супутників реєстраторам старту ракет, в космосі була розгорнута система навігаційних супутників, в завдання яких входило повідомлення своїх точних координат в просторі. Прийнявши необхідні дані одночасно з декількох супутників, навігаційний приймач визначав і власне місце розташування.

«Тривале» мирний час змусило власників систем почати ділитися інформацією з цивільними споживачами спочатку в повітрі і на воді, а потім і на суші, хоча і залишивши за собою право в окремі «особливі» періоди загрубляти прив'язку навігаційних параметрів. Так системи військового призначення стали цивільними.

Різноманітні типи та модифікації GPS-приймачів широко використовуються на морських і повітряних засобах, в системах мобільного та супутникового зв'язку. Більш того, приймач GPS, як і передавач системи «Коспас-Сарсат», є обов'язковим обладнанням для будь-якого плавзасобу, що виходить у відкрите море. Створюваний Європейським космічним агентством вантажний космічний корабель ATV, який в 2005 році полетить до МКС, свою траєкторію зближення зі станцією також буде коригувати за даними систем GPS і «ГЛОНАСС».

Обидві навігаційні супутникові системи влаштовані приблизно однаково. GPS має 24 супутника, розміщених на кругових орбітах по 4 в шести орбітальних площинах (висота 20 000 км від поверхні Землі, нахил 52 °), а також 5 запасних апаратів. У «ГЛОНАСС» теж 24 супутника, по 8 в трьох площинах (висота 19 000 км від поверхні Землі, нахил 65 °). Для того щоб навігаційні системи працювали з необхідною точністю, на супутниках встановлений атомний годинник, з Землі регулярно передається інформація, уточнююча характер руху кожного з них по орбіті, а також умови поширення радіохвиль.

Незважаючи на гадану складність і масштабність системи глобального позиціонування, компактний GPSпріемнік сьогодні може придбати будь-який бажаючий. За сигналами зі супутників цей прилад дозволяє не тільки визначити місце розташування людини з точністю до 5 10 метрів, а й забезпечити його всіма необхідними даними: географічними координатами з зазначенням місця на карті, поточним світовим часом, швидкістю руху, висотою над рівнем моря, положенням сторін світла, а також цілим рядом сервісних функцій, які є похідними від первинної інформації.

Переваги космічних навігаційних систем настільки незаперечні, що Об'єднана Європа, незважаючи на гігантські витрати, планує створити власну навігаційну систему GALILEO ( «Галілей»). Систему своїх навігаційних супутників планує розгорнути і Китай.

Супутники дистанційного зондування Землі

Застосування мініатюрних GPS-приймачів дозволило істотно вдосконалити роботу ще однієї категорії космічних апаратів так званих супутників дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). Якщо раніше знімки Землі, зроблені з космосу, було досить важко пов'язати з певними географічними точками, то тепер цей процес не становить жодних проблем. А оскільки наша планета постійно видозмінюється, то її фотографії з космосу, ніколи не повторюються, будуть затребуваними завжди, надаючи незамінну інформацію для вивчення найрізноманітніших аспектів земного життя.

Супутники ДЗЗ мають досить велику чисельність, і тим не менше їх угруповання постійно поповнюється новими, все більш досконалими апаратами. Сучасним супутникам дистанційного зондування, на відміну від тих, які діяли в 1960 1970-х роках, немає необхідності повертати на Землю зняті в космосі фотоплівки в спеціальних капсулах на них встановлені суперлегені оптичні телескопи і мініатюрні фотодетектори на основі ПЗС-матриць, а також високошвидкісні лінії передачі даних з пропускною спроможністю в сотні мегабіт в секунду. На додаток до оперативності отримання даних з'являється можливість ще і повної автоматизації обробки отриманих зображень на Землі. Оцифрована інформація це вже не просто зображення, а найцінніша інформація для екологів, лісівників, землевпорядників та безлічі інших зацікавлених структур.

Зокрема, спектрозональних фотографії, отримані в весняний період, дають можливість прогнозувати урожай, виходячи із запасу вологи в грунті, в період вегетації рослин виявляти місця вирощування наркотичних культур і своєчасно вживати заходів щодо їх знищення.

Крім того, необхідно брати до уваги існуючі нині комерційні системи продажу споживачам відеозображень поверхні Землі (фотографій). Першими такими системами була спочатку угруповання американських цивільних супутників LANDSAT, а потім французьких SPOT. При відомих обмеженнях і відповідно до визначених розцінками споживачі у всьому світі можуть набувати зображення цікавих для них районів Землі з дозволом в 30 і 10 метрів. Нинішні ж, куди більш досконалі супутники громадянського спрямування ICONOS-2, QUICK BIRD-2 (США) і EROS-AI (Ізраїль США) після зняття обмежень американським урядом дозволяють купувати фотографії земної поверхні з роздільною здатністю до 0,5 метра в панхроматичному режимі і до 1 метра в багатоспектральну.

Впритул до супутників ДЗЗ примикають метеорологічні космічні апарати. Розвиток їх мережі на навколоземних орбітах суттєво підвищило надійність прогнозу погоди і дозволило обходитися без великих мереж наземних метеостанцій. А виходять сьогодні в усьому світі випуски новин, супроводжувані анімованими зображеннями циклонів, трас переміщення хмарності, тайфунів та інших явищ, які створюються на основі даних метеосупутників, дозволяють кожному з нас на власні очі переконатися в реальності відбуваються на Землі природних процесів.

Спутнікі- «вчені»

За великим рахунком, кожен з штучних супутників це винесений за межі Землі інструмент пізнання навколишнього світу. Наукові ж супутники можна назвати своєрідними полігонами для перевірки нових ідей і конструкцій і отримання унікальної інформації, яку ніяк інакше не добути.

В середині 1980-х років NASA була прийнята програма створення чотирьох астрономічних обсерваторій, що розміщуються в космосі. З тими чи іншими затримками всі чотири телескопа були запущені на орбіту. Першим почав свою роботу «Хаббл» (1990 рік), призначений для дослідження Всесвіту у видимому діапазоні довжин хвиль, за ним послідував «Комптон» (1991 рік), який вивчав космічний простір за допомогою гамма-променів, третім був «ЧАНДРА» (1999 рік ), котрий використовував рентгенівські промені, а завершив цю велику програму «Спітцер» (2003 рік), на частку якого припав інфрачервоний діапазон. Назви всіх чотирьох обсерваторіям були дані на честь видатних американських вчених.

«Хаббл», що працює на навколоземній орбіті вже 15-й рік, поставляє на Землю унікальні зображення далеких зірок і галактик. За такий тривалий термін служби телескоп неодноразово ремонтувався під час польотів шатлів, але після загибелі «Колумбії» 1. лютого 2003 року запуски космічних «човників» були припинені. Планується, що «Хаббл» пробуде на орбіті до 2010 року, після чого, виробивши свій ресурс, буде знищений. «Комптон», що передавав на Землю зображення джерел гамма-випромінювання, припинив своє існування в 1999 році. «ЧАНДРА» ж продовжує справно поставляти інформацію про рентгенівських джерелах. Всі три цих телескопа призначалися вченими для роботи на високоеліптичних орбітах, щоб зменшити вплив на них магнітосфери Землі.

Що ж стосується «Спітцер», здатного вловлювати найслабше теплове випромінювання, що виходить від холодних віддалених об'єктів, то він на відміну від своїх побратимів, що обертаються навколо нашої планети, знаходиться на сонячній орбіті, поступово віддаляючись від Землі на 7 ° в рік. Для того щоб сприймати вкрай слабкі теплові сигнали, що виходять із глибин космосу, «Спітцер» охолоджує свої сенсори до температури, яка перевищує абсолютний нуль за все на 3 °.

З науковою метою в космос запускають не тільки громіздкі і складні наукові лабораторії, а й маленькі супутники-кульки, забезпечені скляними віконцями і містять всередині уголковие відбивачі. Параметри траєкторії польотів таких мініатюрних супутників з високим ступенем точності відстежуються за допомогою наведеного на них лазерного випромінювання, що дозволяє отримувати інформацію про найменші зміни в стані гравітаційного поля Землі.

Найближчі перспективи

Здобула такий бурхливий розвиток в кінці XX століття космічне машинобудування не зупиняється в своєму прогресі ні на один рік. Супутники, що здавалися ще якихось 5 10 років тому верхом технічної думки, змінюють на орбіті нові покоління космічних апаратів. І хоча еволюція штучних супутників Землі стає все більш швидкоплинною, вдивляючись в недалеке майбутнє, можна спробувати побачити основні перспективи розвитку безпілотної космонавтики.

Літаючі в космосі рентгенівські і оптичні телескопи вже подарували вченим чимало відкриттів. Тепер же до запуску готуються цілі орбітальні комплекси, оснащені цими приладами. Такі системи дозволять провести масове дослідження зірок нашої Галактики на предмет наявності у них планет.

Ні для кого не секрет, що сучасні радіотелескопи земного базування отримують картинки зоряного неба з дозволом, на порядки перевершує досягнуте в оптичному діапазоні. Сьогодні для такого роду дослідницьких інструментів настала пора виведення в космос. Ці радіотелескопи будуть запущені на високі еліптичні орбіти з максимальним віддаленням від Землі на 350 тис. Км, що дозволить не менше ніж в 100 разів поліпшити якість одержуваних з їх допомогою зображень радіовипромінювання зоряного неба.

Недалеко той день, коли в космосі будуть побудовані заводи з виробництва особливо чистих кристалів. І це стосується не тільки біокрісталліческіх структур, так потрібних медицині, а й матеріалів для напівпровідникової та лазерної промисловості. Навряд чи це будуть супутники тут скоріше знадобляться відвідувані або роботизовані комплекси, а також пристиковуватися до них транспортні кораблі, що доставляють вихідні продукти і привозять на Землю плоди позаземної технології.

Не за горами і початок колонізації інших планет. У таких тривалих польотах без створення замкнутої екосистеми ніяк не обійтися. І біологічні супутники (літаючі оранжереї), що імітують далекі космічні перельоти, з'являться на навколоземній орбіті в самому недалекому майбутньому.

Однією з найбільш фантастичних завдань, при цьому вже сьогодні з технічної точки зору абсолютно реальною, є створення космічної системи глобальної навігації та спостереження земної поверхні з точністю до сантиметрів. Така точність позиціонування знайде застосування в самих різних сферах життя. В першу чергу цього потребують сейсмологи, які сподіваються, відстежуючи найменші коливання земної кори, навчитися передбачати землетруси.

На сьогоднішній момент найбільш економічним способом виведення супутників на орбіту є одноразові ракети-носії, причому чим ближче до екватора знаходиться космодром, тим дешевше виявляється запуск і тим більше виводиться в космос корисне навантаження. І хоча нині вже створені і успішно функціонують плавуча, а також самолетная пускові установки, добре розвинена інфраструктура навколо космодрому ще довго буде основою для успішної діяльності землян з освоєння навколоземного простору.

Олександр Спірін, Марія Побединская

Редакція висловлює подяку Олександру Кузнєцову за допомогу в підготовці матеріалу.