Pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos

GNSS, GLONASS, Galileo, GPS, BeiDou – apie pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos atsiradimą ir palydus

GNSS

Be JAV GPS ir Europos Sąjungos Galileo pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos (GNSS – Global navigation satellite system), egzistuoja ir kitos GNSS: Rusijos GLONASS ir Kinijos BeiDou (BeiDou Navigation Satellite System). 2018 metais tik 4 GNSS sistemos yra pasaulinės: JAV GPS (Global Positioning System, kartais vadinama NAVSTAR), Rusijos GLONASS, Kinijos BeiDou (Navigation Satellite System arba BDS) ir Europos Sąjungos Galileo. Daugumos GNSS sistemų trukūmas yra prastas veikimas Žemės poliariniuose rajonuose (per mažas koordinačių tikslumas, nestabilus veikimas), šio trūkumo išvengia GLONASS, nes palydovų orbitos kampas su pusiauju yra 64.8°. Galima pažiūrėti bendrą GNSS sistemų situaciją, ir GNSS palydovų aukščius.

GNSS teikiamos paslaugos yra tokios: vietovė, navigacija, moksliniai tyrimai ir singronizacija. Vietovės paslaugos: vietovės nustatymas, monitoringas (žmonių, gyvūnų ir turto vietovės monitoringas, specialiųjų tarnybų ekipažų koordinacija, brangių krovinių judėjimo monitoringas, geležinkelių būsenos monitoringas), geodezija ir kartografija, statybos.

GNSS turėtų pateikti koordinates 10 metrų tikslumu, laikrodžių sinchronizacija 10 nanosekundžių tikslumu, judėjimo greitį 0.2 m/s tikslumu. Kariškiai gauna tikslesnius duomenis – koordinatės pateikiamos 0.1 m tikslumu. GNSS paprastai teikia dviejų rūšių informaciją: standartinę (Standard Positioning Service – SPS) visiems vartotojams ir tikslią (Precise Positioning Service – PPS) tik kai kuriems vartotojams.

BeiDou

Kinija apie savo GNSS, pavadintą Beidou (BNTS – Beidou Navigation Test Satellite, kartais vadinama COMPASS) pradėjo galvoti 1983 metais, o ją kurti 1994 metais. Pirmasis BeiDou 1A palydovas iškeltas 2000 metų pabaigoje, 2003 metais pradėjo veikti, o 2012 metais BeiDou sistema jau galėjo naudotis Kinija ir kelios aplinkinės šalys.

BeiDou palydovai

BeiDou logotipas

Tikslumo padidinimui BeiDou naudoja sekimo stotis, 7 yra Kinijoje – CHDU, HRBN, HKTU, LASA, SHA1, CENT, XIAN ir dar 5 užsienio šalyse: Singapūre (SIGP), Australijoje (PETH), Jungtiniuose Arabų Emiratuose (DHAB), Europoje (LEID) ir Afrikoje (JOHA). 5 palydovai orbituoja geostacionarinėse orbitose 35 786 km aukštyje, 3 – geosinchroninėse orbitose 35 786 km aukštyje ir 27 palydovai 21 528 km aukščio orbitose apie Žemę su pusiauju sudarančiose 55° kampą. BeiDou sistemos funkcionavimui naudojami 28 palydovai. Palydovų darbo laikai ir masės: 15 metų ir 828 kg (geostacionarinėse ir geosinchroninėse orbitoje) bei 12 metų ir 1615 kg 21 528 aukščio orbitose.

2003 metais Kinija investavo 230 mln € į kuriama Galileo navigacinę sistemą.

GLONASS

Rusijos (Sovietų Sąjungos) GNSS arba GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) pradėta kurti Sovietų Sąjungos Gynybos ministerijos užsakymu dar 1976 metais, pirmieji trys palydovai iškelti 1986 metais.

GLONASS logo

GLONASS palydovai

Sistemos pagrindas yra 24 palydovai (masė 1600 kg) orbituojantys 19 100 km aukštyje virš Žemės trijose plokštumose 64,8° su pusiauju. Palydovo veikimo laikas orbitoje yra 10 metų ir lyginant su GPS, Galileo, BeiDou navigacinių palydovų beikimu orbitose yra mažiausias. GLONASS palydovuose naudojama elektronika yra Rusijos ir kitų šalių gamybos: 30 % Rusijos pagaminta elektronika ir 70 % kitų šalių pagaminta elektronika. Sistemos veikimas analogiškas JAV NAVSTAR arba GPS.

GPS

GPS pradėta kurti 1973 metais, 1978 metais iškeltas pirmas GPS palydovas, 1993 metais GPS sistema buvo sukurta ir veikė 24 palydovai. Po 1990 metų GPS sistema buvo galima naudotis visame pasaulyje ir civiliams, tačiau pateikiamas koordinačių tikslumas specialiu algoritmu buvo sumažintas iki 10 m. 2000 metais algoritmas buvo iškoduotas, po to civiliams pateikiamų koordinačių tikslumas sugrąžintas į 1 m.

GPS logo

Magellan palydovinės navigacinės sistemos įrenginys

JAV navigacinės sistemos GPS palydovas Navstar-2F1_B

2018 metais veikia 32 palydovai šešiose orbitų plokštumose kurių kampas su pusiauju 55°, palydovų darbo laikas 20 200 km orbitoje virš Žemės 15 metų, palydovo masė 2161 kg.

Galileo

Europos Sąjungos sukurtos GNSS sistemos, pavadintos Galileo vardu, paskirtis pirmiausia yra civilinė ir tik po to karinė. Kitų trijų GNSS sistemų – BeiDou, GPS ir GLONASS paskirtis pirmiausia yra karinė, tik po to komercinė. Galileo kainavo 10 mlrd. €, iš šios sumos 12% investavo Jungtinė Karalystė. Palydovai orbituoja 23 222 km aukštyje. Galileo veikiančių palydovų skaičius sieks 24, 6 palydovai orbitoje bus atsarginiai.

Civiliams koordinatės pateikiamas 1 m tikslumu, kariškiams ir komerciniams klientams 0.1 m tikslumu. 3 orbitų plokštumos 56° kampu su pusiauju, vienoje plokštumoje orbituoja 8 darbiniai ir 2 atsarginiai palydovai, palydovo darbo laikas orbitoje daugiau nei 12 metų, masė 675 kg. Galileo palydovai turi Europos Sąjungos Europos Kosmoso Agentūros organizuoto Galileo palydovų piešinių konkurso nugalėtojų vardus. Lietuvoje laimėjo Danielės Gedminaitės piešinys, tad Danielės vardu pavadintas Galileo-FOC FM10 (GSAT0210) palydovas iškeltas į orbitą 2016 metų gegužės mėnesį.

Galima pažiūrėti vaikų piešinių nugalėtojų sąrašą ir jų piešinius.

Kitos šalys

Kelios šalys turi regioninės navigacines sistemas.

Indija 2018 metais užbaigė 335 mln USD kainavusią regioninės palydovinės sistemos (Indian Regional Navigation Satellite System – IRNSS) arba NavIC iš 8 palydovų formavimą. Palydovo aktyvus laikas orbitoje siekia 10 metų, palydovo masė 1425 kg.

IRNSS logo

Japonija 2017-2018 metais į orbitą iškėlė 4 navigacinius palydovus Michibiki (Rodantys kelią) ir sukūrė regioninę pozicionavimo sistemą QZSS (Quazi-Zenith Satellite System), skirtą Azijos Ramiojo vandenyno regionų klientams. QZSS valdo JAXA. Galima panaršyti po įrenginių, suderinamu su QZSS, sąrašą.

QZSS palydovai

QZSS logo

Prancuzija kuria savo GNSS.

GNSS veikimas

Sovietams paleidus pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą, JAV mokslininkai pastebėjo, kad dėl Doplerio efekto palydovui artėjant signalo dažnis didėja, o palydovui tolstant signalo dažnis mažėja. Žinant savo koordinates Žemėje, galima apskaičiuoti palydovo vietą orbitoje ir greitį arba galima apskaičiuoti savo koordinates ir judėjimo greitį Žemėje jei žinome tikslią palydovo vietą orbitoje, tai yra atvirkštinis skaičiavimas. GNSS veikimas yra pagrįstas pagal sinchronizuotų signalų iš navigacinių palydovų priėmimo momentų laikų skirtumą nustatoma vartotojo vieta. Vartotojo imtuvo 3 koordinačių (vartotojo padėtis) nustatymui naudojama kelių nežinomųjų lygtis: .

Paaiškinimai:

– vartotojo padėtis – trys koordinatės (nežinomos);

– _j palydovo koordinatės orbitoje (žinomos);

c – šviesos greitis (žinomas);

– signalo priėmimo iš _j palydovo laikas pagal vartotojo laikrodį (žinomas);

– vartotojui nežinomas visų palydovų sinhroninio signalo laiko momentas.