Супутникова навігація давно стала незамінним атрибутом життя багатьох людей. Застосовується вона і для військових цілей. Але про те, як вона працює і які є системи крім GPS, мало хто замислюється. 
Ми ж коротко розповімо про це.
Принцип роботи
Щоб дізнатися свої точні координати, потрібно або спеціальний пристрій-навігатор, або гаджет з відповідною функцією. Для визначення координат використовується сигнал із супутників, що знаходяться на орбіті. Кожен з них передає певний набір даних:
- Альманах, що містить інформацію про місцезнаходження на орбіті всіх робочих супутників. Отримавши сигнал всього від одного супутника, навігатор також дізнається про розташування всіх інших супутників системи.
- Ефемериди - оперативні дані про поточні координати супутника - джерела сигналу. Вони несуть більш точні дані про місцезнаходження супутника, ніж альманах, а й застарівають набагато швидше - протягом півгодини, тоді як альманах оновлюється раз на кілька днів.
- Псевдовипадковий код, який використовується для ідентифікації супутника.
- Сигнали точного часу, для визначення якого використовуються атомний годинник, точно синхронізовані з системним часом.
Точні координати навігатора обчислюються шляхом вимірювання затримки радіосигналу від декількох супутників. Приймач обчислює проміжок між відправкою сигналу з супутника і його отриманням, порівнюючи системний час з часом відправлення сигналу. Таким чином, знаючи швидкість поширення радіохвиль, вираховується відстань до супутника.
Зіставляючи всі необхідні дані з різних супутників, навігатор визначає свої точні координати. Чим більше супутників бачить пристрій - тим точніше вимірювання. Якщо доступний сигнал тільки з одного супутника, навігатор визначить коло з відомим радіусом, всередині якого він знаходиться. Але радіус цей може бути і кілька кілометрів. Якщо доступні два супутника - одне з можливих місць буде знаходитися на перетині кіл. Уже при трьох видимих супутниках можна визначити місце розташування з точністю до декількох десятків метрів. А для самого точного позиціонування (менше 5 м) потрібен сигнал чотирьох і більше супутників.
Інші параметри, наприклад пройдену відстань, швидкість, напрямок руху, визначаються шляхом вимірювання часу, витраченого на переміщення між двома або більше точками з відомими координатами.
Недоліки в супутникової навігації теж є. Визначаються вони специфікою поширення радіохвиль. Наприклад, сигнал з супутника значно погіршується в приміщеннях, а всередині залізобетонних конструкцій, в підвалах, тунелях і т. Д. Його взагалі не можна зловити. Причому стосується це не тільки поширених пристроїв, але і професійних геодезичних приймачів. Також сигнал з супутника може погіршуватися під щільною листям дерев або через дуже великий хмарності. Для нього легко створювати перешкоди, ніж, наприклад, користуються автоугонщики і спецслужби. У приполярних областях точність позиціонування погіршується через те, що супутники знаходяться низько над горизонтом.
Для роботи навігаційної системи необхідні не тільки супутники на орбіті, але і наземний сегмент управління і контролю. Серед них блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для коригування орбіт і (опціонально) система радіомаяків для підвищення точності отримання координат.
У навігаційних приймачів також є важливі параметри, що безпосередньо впливають на їх роботу. Один з них - швидкість отримання та обробки даних від супутників. Якщо приймач довго не працював, або його в вимкненому стані перевезли на велику відстань, то включатися він буде за методом «холодного старту», коли всі необхідні для роботи дані (ефемериди, альманах і т. Д.) Виходять безпосередньо з супутника. Це може займати 10-15 хвилин. Навігатори з функцією A-GPS (Assisted GPS) навіть в режимі холодного старту починають працювати швидше, так як отримують значну частину необхідних даних з мереж стільникового зв'язку. У режимі ж «теплого старту» (коли актуальні дані вже є в пам'яті пристрою) для визначення точних координат приймача потрібно менше хвилини.
Що є зараз
Початком ери супутникової навігації можна вважати 1964 рік. Саме тоді заробила американська військова навігаційна система Transit (також відома як NAVSAT). Вона використовувалася для забезпечення навігації атомних підводних човнів. До її складу входили шість низькоорбітальних супутників, а для визначення координат використовувався ефект Доплера - супутники оберталися по відомій траєкторії з відомою частотою. При цьому до приймача сигнал доходив зі зміщенням частоти. Саме вираховуючи це зміщення, визначалося відстань до супутників, а знаючи їх положення на небі в кожен конкретний момент часу, - і власні координати. Точність позиціонування в цій системі становила близько 200 м. Але при цьому вона покривала не всю поверхню землі і була доступна обмежений час на протязі доби. Уже в 1967 році ця система супутникової навігації стала використовуватися в комерційних цілях, в основному для судноплавства.
У 1976 році СРСР запустив аналогічну систему «Циклон» з тими ж перевагами і недоліками. Для цивільного використання в 1979 році заробила система "Цикада", яка так само використовувалася в основному в мореплавстві. Ці системи вже канули в лету. Зараз вже працюють такі.
Уже при трьох видимих супутниках можна визначити місце розташування об'єкта з точністю до декількох десятків метрів
GPS
Спочатку ця навігаційна система також створювалася як військова. Вона називалася DNSS, пізніше - Navstar-GPS, і нарешті, просто GPS (Global Positioning System). Перший супутник вийшов на орбіту в 1978 році, але повноцінно система запрацювала лише на початку 80-х. У 1983 році СРСР збив залетів у його повітряний простір корейський Боїнг - екіпаж лайнера виявився дезорієнтований в просторі і не знав власні координати. Щоб уникнути подібних інцидентів в майбутньому президент Рейган дозволив використання системи для цивільних цілей. Однак цивільна версія системи мала обмеження. Наприклад, до 2000 року її точність для цивільних приймачів становила близько 100 м. А якщо швидкість пересування приймача перевищує 1900 км / год на висоті більше 18 км, він перестане працювати. Таке обмеження потрібно, щоб систему неможливо було використовувати в міжконтинентальних балістичних ракетах.
Зараз у складі системи працює 31 супутник. Вони літають на висоті 20 180 км з періодичністю в два обльоту Землі за добу. Для покриття всієї поверхні планети використовуються 24 супутника (така кількість була досягнута в 1993 році). Ще сім - резервні, готові в будь-який момент підхопити роботу, якщо на одному з основних відбулися неполадки або він знаходиться на плановому технічному обслуговуванні.
Зараз GPS - найпопулярніша навігаційна система в світі. Нею користуються по всій землі завдяки не тільки охопленням, але і тому, що GPS-приймачі є в багатьох сучасних портативних пристроях - телефонах, планшетах і т. Д.
ГЛОНАСС
Російська «Глобальна навігаційна супутникова система», запущена в 1982 році, одночасно в військовому і цивільному варіанті. 24-й супутник, що забезпечив покриття всієї поверхні Землі, вийшов на орбіту в 1995 році. Однак через нестачу фінансування ГЛОНАСС незабаром прийшла в занепад - в 2001 році на орбіті залишилися всього шість працюючих супутників. Відновити працездатність системи вдалося тільки до 2010 року. Зараз на орбіті перебувають 27 супутників (24 робочих і три резервних).
Супутники обертаються на висоті 19 140 км з нахилом 64,8 °, облітаючи Землю один раз в 11 год 15 хв. Така орбіта більше підходить для високих широт, ніж GPS. Через це ГЛОНАСС там видає більш точні координати, а багато користувачів північних країн використовують систему в комбінації з GPS.
Призначені для користувача пристрої мають доступ до GPS, ГЛОНАСС і Бейдоу з коробки
DORIS
Французька система для відстеження орбіт супутників і позиціонування. Використовується в основному в наукових цілях і геодезії. На відміну від інших систем, вона використовує наземні маяки, які посилають сигнал на супутники. Після визначення точного положення супутника система може визначити точні координати і висоту маяка на поверхні Землі.
IRNSS
Регіональна індійська система, яка покриває всю територію цієї країни, а також 1500-кілометрову зону навколо неї. До складу системи входять сім супутників, розташованих на геосинхронной орбіті на висоті 36 000 км, і дві наземні станції. Точність системи - 10 м для цивільних приймачів і 10 см для військових. Необхідність власної навігаційної системи стала очевидною індійському уряду після Каргільского конфлікту між кашмірськими моджахедами (за підтримки Пакистану) і Індією, коли індійські військові не змогли домовитися про використання GPS з американцями.
які будуть
Зараз будуються кілька навігаційних систем, які в найближчі кілька років увійдуть в експлуатацію. Це як глобальні, так і регіональні системи. Останні призначені для використання в конкретних країнах. Через таку специфіку для них потрібно менше супутників, а значить, побудувати таку систему легше.
Запуск європейської навігаційної системи Galileo заплановано на 2020 рік
Galileo
Європейська навігаційна система, повноцінний запуск якої намічений на 2020 рік. В даний час на орбіті знаходяться 12 супутників (їх сигнал вміють приймати багато пристроїв), а всього має бути 30. Багато виробників вже додають можливість прийому сигналу Galileo в свої пристрої. Зараз ця система використовується для уточнення координат, отриманих від GPS. На відміну від GPS і ГЛОНАСС, ця система не підпорядкована військовим відомствам, проте для урядів європейських держав буде доступно більш точне позиціонування, ніж для звичайних користувачів.
Супутники «Галілео» літають на орбітах заввишки 23 222 км і проходять один виток за 14 год 4 хв. 42 с. За рахунок високої орбіти на широті полярного кола буде забезпечуватися точність позиціонування до одного метра.
«Бейдоу»
Китайська навігаційна система, яка зараз працює як регіональна. Її запустили в грудні 2012 року, тоді в її складі працювали 16 супутників. До 2020 року китайська влада планує довести їх кількість на орбіті до 35 і зробити систему глобальної. Поки ж в навколоземному просторі знаходиться 21 супутник цієї системи, які працюють на висоті 21 500 км.
