Обзор всех спутников Земли: кому принадлежит наша орбита?
Веками люди изучали космос и звезды в поисках ответов. Это более чем философское увлечение — оно связано с необходимостью решать проблемы здесь, на Земле.
В настоящее время существует бесчисленное множество преимуществ и сфер применения космических технологий. Так, например, спутники играют ключевую роль во всех сферах – от подключения к Интернету и точного земледелия до обеспечения безопасности границ и поддержки археологических исследований.
Прямо сейчас на орбите нашей крошечной планеты находятся около 6 000 спутников. Приблизительно 60% из них недействующие спутники – космический мусор, и лишь около 40% продолжают функционировать.
Как показано на иллюстрации выше, Союз неравнодушных ученых (UCS) подсчитал, что на апрель 2020 года вокруг земного шара кружило 2 666 действующих спутников.
По оценкам Euroconsult, в предстоящее десятилетие ежегодно будет производиться запуск еще 990 спутников. Это означает, что к 2028 году число спутников на орбите Земли может вырасти до 15 000.
Если учесть планируемое компанией SpaceX создание группировки спутников Starlink, насчитывающей 12 000 спутников, а также предлагаемой группировки Amazon, работа над которой уже ведется, то можно сказать, что новая космическая гонка продолжает набирать обороты.
Разберемся подробнее, кто управляет этими спутниками и какие технологии они используют.
Человечество уже много лет использует космическое пространство для навигации. Если раньше моряки ориентировались по звездам, то сегодня мы используем спутники для обеспечения работы GPS, навигационных сервисов и различных других применений.
Более половины действующих спутников Земли были запущены в коммерческих целях. Около 61% из них обеспечивают все виды связи – от спутникового телевидения и подключения к Интернету вещей (IoT) до подключения к всемирной сети Интернет.
На втором месте после спутников связи находятся коммерческие спутники (27%), запущенные для наблюдения за планетой Земля, в частности, для мониторинга за состоянием окружающей среды и обеспечения пограничной безопасности.
Однако коммерческие спутники могут применяться для различных целей. Например, в течение одной недели спутник может выполнять космическую съемку спорных границ, а после этого перед ним может быть поставлена задача по мониторингу окружающей среды.
Государственные и гражданские цели выполняют 21% всех действующих спутников Земли, а военные цели – 13%.
Корпорация SpaceX, созданная Илоном Маском, является не только поставщиком услуг по запуску космических летательных аппаратов для миссий на Международную космическую станцию (благодаря которому NASA экономит миллионы долларов), но и крупнейшим коммерческим оператором спутников на Земле.
Запустив 358 спутников по состоянию на апрель 2020 года, SpaceX продолжает свою миссию по расширению навигационных возможностей на Земле и предоставлению услуг спутникового интернет-соединения для населения планеты.
В апреле на долю компании приходилось 22% от общего количества действующих спутников, после чего всего лишь за один месяц с августа по сентябрь 2020 года компания произвела запуск еще 175 космических аппаратов.
После серии летних запусков SpaceX объявила о развертывании достаточного количества спутников для начала бета-тестирования своего спутникового интернет-сервиса Starlink.
Не удивительно, что США, Китай и Россия возглавляют список стран, на долю которых приходится больше всего действующих спутников на орбите.
США и СССР (а затем и Россия) были пионерами космической гонки в 1950-х и 1960-х. Обе страны входят в тройку лидеров, при этом в апреле 2020 года на США приходилась приблизительно половина от всех действующих спутников на орбите – 1 308 космических аппаратов.
Китай отстает от США с результатом 356 спутников. Расположившаяся на третьем месте Россия эксплуатирует 167 спутников, и за ней по пятам следует Великобритания – 130 спутников.
В совокупности на упомянутые выше страны приходится приблизительно 76% от общего количества действующих спутников в мире.
Хотя первая космическая гонка была соревнованием между странами, противостоящими друг другу в холодной войне, для новой космической гонки характерна атмосфера сотрудничества с упором на коммерческую деятельность.
Сегодня расширение сотрудничества на международном уровне позволяет странам размещать спутники, а также проводить научные исследования в космосе. До появления космической корпорации SpaceX Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и другие космические агентства, работающие на Международной космической станции, полагались на российские ракеты серии «Союз» при выполнении сотен миссий.
Благодаря успешному запуску своих известных многоразовых ракет корпорация SpaceX планирует снизить затраты на запуск до 6 млн долларов США за один полет, что может способствовать росту количества спутников в ближайшие годы.
Все признаки указывают на то, что благодаря развитию технологий и коммерческого партнерства количество спутников на орбите продолжит расти.
Что лучше — ГЛОНАСС или GPS: главные различия систем навигации
ГЛОНАСС – глобальная спутниковая навигационная система российской разработки. Она создавалась с конца 1950-х, но широкое распространение в гражданском секторе получила лишь в нулевых годах XXI века. В настоящее время она принадлежит Российской Федерации
Нередко встречаются утверждения, что «ГЛОНАСС – это аналог GPS», но это не так. Советские ученые начали создавать систему спутниковой навигации раньше американцев: в СССР основы технологии разработали к 1958 году, в США же задумались об использовании космических аппаратов для навигации в 1959 году, уже после запуска первого искусственного спутника Земли Советским Союзом.
История развития ГЛОНАСС
Для начала разберемся, как происходит определение координат с помощью ГЛОНАСС. Оно осуществляется с помощью сети из нескольких спутников, находящихся на орбите на высоте примерно 19 000 – 20 000 км над землей. Когда вы хотите узнать свое местоположение, ваше устройство с ГЛОНАСС обнаружит как минимум четыре из этих спутников. Далее будет измерено время, необходимое для того, чтобы сигнал от спутников достиг вашего устройства, а потом— рассчитано расстояние до каждого из них. Так как координаты спутников в любой момент времени известны, по этим расстояниям можно вычислить текущую геопозицию приемника.
Для покрытия всей земной поверхности в орбитальную группировку навигационной системы ГЛОНАСС должно входить не менее 24 спутников. При таком количестве в зоне «видимости» каждого пользователя как раз находится как минимум 4 космических аппарата (КА). И именно столько нужно, чтобы определить четыре параметра, важных для точного геопозиционирования: координаты X и Y, высоту Z и разницу по времени между часами на спутниках и часами устройства пользователя.
Принцип работы системы навигации
На момент написания статьи в составе орбитальной группировки ГЛОНАСС находится 26 спутников и один — на этапе ввода в систему.
Текущее положение космических аппаратов ГЛОНАСС на 14.07.22
Чем ГЛОНАСС технически отличается от GPS
GPS — Global Positioning System, система глобального позиционирования, разработанная США. Она использует те же принципы определения местоположения, что и ГЛОНАСС. По состоянию на конец июня 2022 года в орбитальной группировке GPS насчитывался в общей сложности 31 действующий спутник. Однако GPS, как и ГЛОНАСС, для покрытия всего Земного шара достаточно 24 спутников.
Внешний вид орбитальных группировок
Между системами ГЛОНАСС и GPS — тысячи технических различий, но подавляющее большинство из них не значимы для рядового пользователя. Остановимся на основных, кроме разницы в числе спутников, о которой мы уже сказали:
- Расположение спутников. Космические аппараты ГЛОНАСС размещаются в трех плоскостях, они наклонены к экватору под номинальным углом 64,8° и обращаются с периодом 11 ч 15 мин 44 с. Движутся они асинхронно с вращением Земли. Это обеспечивает устойчивую орбитальную систему, которой практически не требуется корректировка орбит КА, в отличие от орбит GPS. Более того, даже если несколько спутников выведут с орбиты, это не повлияет на доступность навигации на территории РФ. В свою очередь, спутники GPS находятся в шести плоскостях под наклоном около 55° и обращаются синхронно — им для точного геопозиционирования нужны наземные корректировочные станции.
- Способ передачи данных. Информация, передаваемая спутниками, шифруется при помощи разных протоколов: у ГЛОНАСС это FDMA, более энергозатратный протокол, но с лучшей защитой данных; у GPS — экономичный и менее безопасный CDMA.
- Погрешность позиционирования. У ГЛОНАСС она составляет 3–6 м, у GPS — 2–4 м.
- Покрытие. ГЛОНАСС покрывает 100% всей территории РФ и 70% планеты. GPS же работает везде, кроме широт близ полярных кругов — дело в наклоне орбиты.
По сути, для рядового пользователя нет разницы, по каким орбитам и на какой высоте движутся спутники, как на них передается информация с наземных станций слежения, как производятся расчеты. Ему не нужна «хирургическая» точность определения геопозиции. Однако погрешность в пару метров может иметь решающее значение в гражданской и военной авиации, геодезии и картографии, определении границ земельных участков. С помощью наземной инфраструктуры и более сложного навигационного оборудования и ГЛОНАСС, и GPS могут выдавать координаты с точностью до нескольких миллиметров.
Сколько спутниковых систем вращается вокруг Земли
Большинство навигационных спутниковых систем появилось в ответ на запросы военных и долгое время ограничивалось GPS и ГЛОНАСС. Однако после того, как стало понятно, что данные со спутников можно эффективно использовать в мирных целях, число систем принялось планомерно расти. Мы изучили наиболее значимые из существующих сегодня НСС.
GPS — начало глобальной навигации
Действующих спутников: 31
Всего спутников на орбите: 32
Средняя высота от Земли: 22180
Время полного оборота вокруг Земли: 11 ч 58 мин
Американская система появилась в 1974 году и сразу произвела фурор своей эффективностью. Правительству США пришлось даже искусственно понижать точность определения координат, чтобы сохранить преимущества для своих военных. От собственноручно созданных трудностей избавились только в 2000 году — после указа Билла Клинтона. Первоначально архитектура GPS подразумевала использование 24 спутников, однако для большей надежности на орбите находится сразу 32 слота, постоянно из которых используется 31. Каждый спутник огибает Землю дважды в день и управляется с военной базы Шривер радиосигналами частотой в 2000-4000 МГц. GPS была и остается бесспорным лидером среди подобных систем и найти НСС-устройство без чипа с поддержкой GPS довольно трудно — как минимум в западном полушарии. Несмотря на свою явную успешность, GPS не стоит на месте. Уже в 2017 году будет запущен аппарат третьего поколения, чья главная особенность — способность передавать гражданские сигналы нового типа: L2C, L1C и L5. Известно, что сейчас GPS-сигнал нередко теряется среди городских небоскребов. Запуск нового аппарата решает эту проблему и имеет важное значениедля интеграции с другими системами, так как сигнал L2C универсален и может работать не только с GPS.
«Русская ракета» ГЛОНАСС
Действующих спутников: 24
Всего спутников на орбите: 24
Средняя высота: 19400 км
Время полного оборота вокруг Земли: 11 ч 15 мин
О влиянии холодной войны на технический прогресс в США и СССР слышали все. Поэтому запуск советскими учеными собственного проекта в ответ на появление GPS — шаг логичный и ожидаемый. Несмотря на то, что работы над проектом ГЛОНАСС начались еще в 1976 году, а на развертывание программы было потрачено 2,5 миллиарда долларов, официальный запуск системы произошел лишь в 1993 году. Девяностые выдались для отечественной науки не самыми безоблачными, финансирование было урезано, потому догнать и обогнать американского брата нам не удалось. Однако само появление второй системы создало необходимую для развития конкуренцию, что наилучшим образом повлияло всю отрасль в целом. В 2018 году в космос планируется запустить спутники системы ГЛОНАСС-К2, так же способные передавать сигналы в диапазонах L1 и L2.
Европейская система Galileo
Действующих спутников: 10
Всего спутников на орбите: 30 (в планах)
Средняя высота: 23222 км
Время полного оборота вокруг Земли: 14 ч 4 мин
Первая из неглобальных навигационных систем была создана Европейским космическим агентством в рамках проекта Транс-Евразийской сети. Она финансируется правительствами стран ЕС (и примкнувших к ним Китая, Израиля, Южной Кореи), хотя многие из них имеют и собственные космические программы. Сейчас на орбите находится 10 спутников и к 2020 году это число планируется утроить. Только на запуск первых двух спутников Евросоюз потратил более 1,5 миллиардов долларов. Первый спутник был запущен с Байконура всего лишь в 2005 году, а всего месяц назад на орбиту вывели 9 и 10 спутники.
Очевидно, что за десять лет невозможно создать сколько-нибудь конкурентоспособную систему, но у Galileo уже появились первые успехи. Например, ей удалось самостоятельно обнаружить местоположение тестового самолета во время испытаний в 2013 году. В то же время Galileo «дышит в унисон» с GPS. Его архитектура позволяет улавливать сигналы от американской инфраструктуры и использовать его для собственной навигации. В ближайшее время европейцы намерены увеличить точность своей системы до невероятных 10 сантиметров во время работы в специальном режиме.
Самая быстрорастущая система Beidou
Действующих спутников: 20
Всего спутников на орбите: 35 (в планах)
Средняя высота: от 21500 до 36000 км
Время полного оборота вокруг Земли: 12 ч 38 мин
Эта *пока еще* локальная система навигации была запущена в октябре 2000 года в Китае и стала самым стремительно развивающимся проектом отрасли. Планируется, что к 2020 году Бэйдоу получит 5 спутников на геостационарной и 30 на среднеземной орибитах, что даст ей право именоваться глобальной системой навигации. В отличие от европейской, нацеленной на сотрудничество с американцами, китайская система активно дружит с российской ГЛОНАСС. В мае этого года президенты стран договорились о взаимной эксплуатации двух систем.
Мобильные японцы QZSS
Действующих спутников: 1
Всего спутников на орбите: 4 (в планах)
Средняя высота: от 32 000 до 42 164 км
Время полного оборота вокруг Земли: 23 ч 56 мин
Интересный проект представляет японское агентство аэрокосмических исследований JAXA. Он предполагает запуск на геосинхронную орбиту системы из четырех спутников, рассчитанных на работу в азиатском регионе. Первый из них запущен в космос в 2010 году, а завершить работу планируется к концу 2017. Главная особенность проекта — сосредоточенность на поддержке мобильных приложений, что для Японии с ее крупнейшим в мире мобильным рынком, выглядит как само собой разумеющийся факт. Навигационная система сосредоточена прежде всего на улучшении качества мобильной картографии, платного медиа-контента, информации о достопримечательностях для туристов и системы мониторинга общественного транспорта.
Индийский домосед IRNSS
Действующих спутников: 4
Всего спутников на орбите: 7 (в планах)
Средняя высота: 36 000 км
Время полного оборота вокруг Земли: 23 ч 56 мин
Удовлетворение потребностей более чем миллиарда индийцев — более чем амбициозная задача, поэтому индийская система в ближайшее время на мировое господство не претендует. Четыре из семи разработанных спутника уже вращаются вокруг Земли, чтобы обеспечить жителей страны всеми благами навигации. Сегодня IRNSS используется в наземной, воздушной и морской навигации, сервисе точного времени, управлении ликвидациями последствий катастроф, картографии и геодезии, логистике, мониторинге автотранспорта, туризме. И, конечно, активно интегрируется с мобильными телефонами — куда без них теперь.
Space Segment
The GPS space segment consists of a constellation of satellites transmitting radio signals to users.
The United States is committed to maintaining the availability of at least 24 operational GPS satellites, 95% of the time.
To ensure this commitment, the U.S. Space Force has been flying 31 operational GPS satellites for well over a decade.
Constellation Arrangement
GPS satellites fly in medium Earth orbit (MEO) at an altitude of approximately 20,200 km (12,550 miles). Each satellite circles the Earth twice a day.
Enlarge
Expandable 24-Slot satellite constellation, as defined in the SPS Performance Standard.
The satellites in the GPS constellation are arranged into six equally-spaced orbital planes surrounding the Earth. Each plane contains four "slots" occupied by baseline satellites. This 24-slot arrangement ensures users can view at least four satellites from virtually any point on the planet.
The Space Force normally flies more than 24 GPS satellites to maintain coverage whenever the baseline satellites are serviced or decommissioned. The extra satellites may increase GPS performance but are not considered part of the core constellation.
Current and Future Satellite Generations
The GPS constellation is a mix of old and new satellites. The following table summarizes the features of the current and future generations of GPS satellites, including Block IIA (2nd generation, "Advanced"), Block IIR ("Replenishment"), Block IIR-M ("Modernized"), Block IIF ("Follow-on"), GPS III, and GPS IIIF ("Follow-on").
- Coarse Acquisition (C/A) code on L1 frequency for civil users
- Precise P(Y) code on L1 & L2 frequencies for military users
- 7.5-year design lifespan
- Launched in 1990-1997
- Last one decommissioned in 2019
- C/A code on L1
- P(Y) code on L1 & L2
- On-board clock monitoring
- 7.5-year design lifespan
- Launched in 1997-2004
- All legacy signals
- 2nd civil signal on L2 (L2C)
Learn more - New military M code signals for enhanced jam resistance
- Flexible power levels for military signals
- 7.5-year design lifespan
- Launched in 2005-2009
- All Block IIR-M signals
- 3rd civil signal on L5 frequency (L5)
Learn more - Advanced atomic clocks
- Improved accuracy, signal strength, and quality
- 12-year design lifespan
- Launched in 2010-2016
- All Block IIF signals
- 4th civil signal on L1 (L1C)
Learn more - Enhanced signal reliability, accuracy, and integrity
- No Selective Availability
Learn more - 15-year design lifespan
- IIIF: laser reflectors; search & rescue payload
- First launch in 2018
As of June 26, 2022, there were a total of 31 operational satellites in the GPS constellation, not including the decommissioned, on-orbit spares.