Спутники японской системы позиционирования «Митибики»: прорыв в будущее

Четвёртый аппарат «Митибики» («Путеводный») японской квазизенитной спутниковой системы (QZSS) глобального позиционирования был успешно запущен 10 октября 2017 года. Таким образом спутниковая группа QZSS доведена до четырёх единиц, и в 2018 году система начнёт обслуживать потребителей. Спутниковое позиционирование, которое позволяет точно определить собственные координаты с помощью радиосигналов с орбитальных аппаратов, стало в наши дни незаменимым как в производстве, так и в повседневной жизни людей. Квазизенитная спутниковая система предоставляет данные о положении с высокой точностью: погрешность составляет считанные сантиметры. Это открывает новые горизонты в использовании глобального позиционирования.

Возможность стабильного позиционирования с высокой точностью

В отличие от американской системы позиционирования GPS, российской «Глонасс», европейской «Галилео» и китайской «Бэйдоу», которые покрывают своими сигналами всю поверхность планеты, японская квазизенитная система спутникового позиционирования, взаимодействуя с GPS, обеспечивает обслуживание в Японии и окружающем её регионе, а также южнее страны – в Юго-Восточной Азии, Австралии и т. д. В этом заключается её особенность в сравнении с системами позиционирования общемирового масштаба.

Вопрос использования GPS обсуждался Японией и США с самого раннего этапа, и в 1998 году стороны выступили с совместным заявлением, в котором подтвердили взаимодействие, направленное на распространение использования GPS. Одновременно в нашей стране рассматривался замысел использовать для позиционирования, а также вещания и связи на собственной территории квазизенитных спутников. От идеи использовать квазизенитные спутники для связи и вещания впоследствии отказались, и конечным результатом процесса стала разработка японской системы позиционирования в качестве системы, работающей во взаимодействии с GPS с использованием QZSS. Спутники «Митибики» посылают сигналы на одинаковых частотах с GPS. Это позволяет использовать спутники GPS и «Митибики» как единую спутниковую группировку, что в свою очередь даёт возможность стабильно осуществлять определение координат с высокой точностью.

Первый «Митибики», а также аппараты номер 2 и номер 4 – это спутники, которые обращаются по так называемой «квазизенитной орбите». Квазизенитная орбита– это стационарная орбита на высоте 36 тыс. км под углом к экваториальной плоскости. Поэтому при наблюдении с земли тело, которое обращается по такой орбите, описывает в небе фигуру в виде восьмёрки. Три спутника выведены на квазизенитную орбиту таким образом, что один из спутников в любой момент обязательно находится почти в зените над Японским архипелагом. Вот почему систему называют квазизенитной. В свою очередь, спутник «Митибики-3» обращается по геостационарной орбите.

Квазизенитная орбита (изображение предоставлено JAXA)

Сантиметровая точность расширяет рамки применения

Спутники «Митибики» выполняют две функции, дополняя систему GPS и повышая её точность.

Во-первых, что касается дополняющей функции, для того, чтобы определить собственные координаты, необходимо принимать радиосигналы с четырёх спутников GPS. Но в крупных городах с высотными зданиями, а также в межгорных впадинах случается так, что в зоне видимости не оказывается необходимое число спутников одновременно. Теперь же эта проблема устраняется, поскольку один квазизенитный спутник будет непременно оказываться непосредственно над головой, а два других также будут постоянно находиться в зоне видимости. Кроме того, в кварталах высотной застройки радиосигналы со спутников, отраженные стенами зданий, становятся одной из основных причин возникновения погрешности измерений. Погрешности измерений возникают также из-за замедления скорости радиосигналов со спутников GPS при прохождении ионосферы. Сигналы со спутника на квазизенитной орбите позволяют существенно улучшить ситуацию.

В настоящее время погрешность измерений системы GPS, как утверждают, составляет порядка десяти метров. Снижение этой погрешности и является повышением точности GPS. Повышение точности подразделяется на метровый и сантиметровый разряд. Субметровая точность – это услуга коррекции прошедшего ионосферу радиосигнала со спутника GPS, которая позволяет уменьшить погрешность при позиционировании примерно до метрового уровня. Это даёт возможность усовершенствовать точность систем навигации смартфонов и других персональных устройств, а также навигаторов в автомобилях.

Уточнение сантиметрового разряда – это услуга, использующая особый, собственный сигнал квазизенитных спутников L6. Через квазизенитный спутник осуществляется рассылка позиционной информации высокой точности на основе данных, полученных с приблизительно 1300 стандартных электронных точек измерения по всей стране. За счёт этого погрешность позиционирования снижается до считанных сантиметров. Обслуживание с точностью до сантиметров является главной коммерческой функциональной особенностью квазизенитной спутниковой системы. Для того, чтобы пользоваться этой услугой, необходимы специальные устройства приёма сигнала, но они открывают совершенно новые возможности спутникового позиционирования. Это позволяет рассчитывать на реализацию новых, невозможных до сих пор методов использования данных позиционирования.

Одним из примеров использования обслуживания с сантиметровой точностью, который сейчас находится на этапе практических испытаний, может служить применение в сельском хозяйстве. Предполагается, что с помощью беспилотного трактора будут выполняться посев, высадка саженцев, внесение органических и химических удобрений и т. п. Все эти работы требуют точного движения вдоль грядок, чего не позволяли обеспечить прежние возможности спутникового позиционирования. Такого рода эксплуатация без водителя может найти применение и в другой промышленной технике. Безусловно, раз появляется возможность получать информацию о нахождении на полосе движения с точностью до сантиметров, услуга найдёт применение и в области беспилотного управления автомобилями, где разворачивается всё более острая конкуренция. Также возможно использование и в геодезии, требующей точного определения координат. Кроме того, система может способствовать повышению качества общественных услуг, в частности, информирования о муниципальных объектах, ресторанах и т. п., а также региональных систем борьбы с преступностью и правонарушениями.

Космический символ альянса Японии и США

Квазизенитные спутники, помимо прочего, обладают функцией передачи сообщений, которую можно использовать для экстренных предупреждений в случае землетрясений, цунами и других стихийных бедствий. Кроме того, используя находящийся на геостационарной орбите спутник «Митибики-3», при возникновении стихийного ущерба появилась возможность предоставлять услугу спутниковой проверки безопасности с рассылкой соответствующей информации органам по борьбе со стихийными бедствиями. Для японского общества, получившего опыт Великого восточно-японского землетрясения 2011 года, это крайне важная функция.

Ожидается, что использование квазизенитной спутниковой системы получит распространение и в связи с проведением летних Олимпийских и Паралимпийских игр 2020 года в Токио. Я возлагаю большие ожидания на услуги, использующие особенности этой системы, а также на создание новых общественных моделей в связи с их появлением.

И наконец, стоит отметить, что система квазизенитных спутников может быть использована и в качестве замены GPS. В случае, если по какой-либо причине использование GPS окажется невозможным, либо в случае существенного снижения точности позиционирования, в Японии и её окрестностях в качестве альтернативы можно будет использовать одну лишь систему квазизенитных спутников. QZSS имеет важное значение с точки зрения обеспечения безопасности не только для Японии, но также и для США. Наряду с программой Международной космической станции, QZSS служит космическим символом альянса Японии и США.

Фотография к заголовку: Первый спутник «Митибики» квазизенитной спутниковой системы (изображение предоставило Японское агентство по освоению аэрокосмического пространства JAXA)