Спутники на орбите уже стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они помогают найти дорогу в незнакомом городе, отследить посылку на другом конце света и даже выйти в интернет там, где нет наземной сети. Существуют различные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) — американская GPS, европейская Galileo, китайская BeiDou, а также региональные, как японская QZSS и индийская NavIC. Кроме навигационных, разворачиваются и крупные спутниковые системы связи, в частности Starlink (США) и OneWeb (Великобритания), обеспечивающие широкополосный интернет из космоса. В этой статье мы рассмотрим, как работают основные спутниковые системы навигации и связи и чем они отличаются — от количества спутников и типов орбит до охвата и назначения.
Навигационные системы работают по схожему принципу: каждый навигационный спутник непрерывно передает радиосигнал с очень точным временем и своими координатами. Приемник (например, в вашем смартфоне или автомобиле) принимает сигналы нескольких спутников одновременно и по разнице во времени их поступления рассчитывает расстояния до них. На основе этих данных приемник определяет свое местоположение на Земле. Чтобы получить точную трехмерную позицию, нужны сигналы как минимум от четырех спутников. Коммуникационные системы работают иначе: они создают орбитальную инфраструктуру для передачи данных (интернет-трафика, телефонных сообщений и т. д.) между удаленными точками на Земле. Для этого десятки или даже тысячи телекоммуникационных спутников образуют группировку, которая обеспечивает покрытие сигналом больших территорий Земли. Ниже мы подробнее рассмотрим каждую из ведущих систем.
GPS (США)
GPS (США)
GPS (Global Positioning System) — старейшая и наиболее распространенная глобальная навигационная система, развернутая США. Первоначально созданная для военных нужд, сегодня GPS бесплатно доступна гражданским пользователям по всему миру. Спутниковая группировка GPS насчитывает около 31 активного спутника, размещенных на средней околоземной орбите (примерно 20 200 км над Землей). Орбиты распределены так, чтобы в любой момент в поле зрения пользователя находилось не менее 4–6 спутников в разных частях неба. Каждый аппарат оснащен высокоточными атомными часами и передает сигналы времени и навигационные сообщения. Приемники GPS определяют координаты, измеряя время прохождения сигнала от нескольких спутников и вычисляя расстояния до них.
GPS обеспечивает глобальное покрытие с типичной горизонтальной точностью порядка нескольких метров для гражданских пользователей. Например, обычный смартфон определяет местоположение с погрешностью около 5 м при благоприятных условиях (открытый горизонт, хороший прием сигнала). Для профессиональных нужд точность можно повысить до сантиметров, используя специальные двухчастотные приемники и системы дифференциальной коррекции. Орбитальная группировка GPS постоянно модернизируется: запускаются новые спутники с улучшенными сигналами и более высокой точностью, чтобы поддерживать надежность системы. GPS находит применение повсюду — от автомобильных навигаторов и авиации до смартфонов, геодезии и банковской синхронизации времени.
Galileo (ЄС)
Galileo — это глобальная навигационная система, которую развивает Европейский Союз совместно с Европейским космическим агентством (ESA). В отличие от GPS, Galileo находится под гражданским контролем, и Европа создала ее для независимости от американской и других систем. В настоящее время орбитальная группировка Galileo после запуска GSAT-29 и -30 (апрель 2024) состоит из 30 спутников на средней орбите высотой около 23 222 км. Спутники размещены в трех орбитальных плоскостях с наклоном ~56° к экватору, что обеспечивает глобальное покрытие от экватора до полярных широт. Первые сигналы Galileo начали использоваться в 2016 году.
Galileo известна высокой точностью позиционирования. Благодаря передаче сигналов на двух частотах для гражданских пользователей (что помогает компенсировать влияние ионосферы), система обеспечивает определение местоположения с погрешностью около 1 м в стандартном режиме. По точности открытого сигнала Galileo превосходит GPS (где погрешность ~3 м). Кроме того, в 2023 году введен в действие специальный сервис High Accuracy Service, предоставляющий еще более точные коррекции — до 20 см в горизонтальной плоскости для профессиональных применений. Galileo также интегрирует службу поиска и спасения (SAR): спутники ретранслируют сигналы бедствия от маячков и сообщают пострадавшему, что сигнал получен. Сегодня большинство современных смартфонов и навигаторов поддерживают Galileo наравне с GPS, повышая общую надежность и точность определения координат.
BeiDou (Китай)
BeiDou — китайская глобальная навигационная спутниковая система. Свое название она получила от китайского слова «Северный Ковш», которое означает созвездие Большой Медведицы. Развитие системы происходило поэтапно: ранняя версия BeiDou-1 была региональной, BeiDou-2 (Compass) обеспечила покрытие Азиатско-Тихоокеанского региона, а с 2020 года развернута BeiDou-3 — полноценная глобальная система. Сейчас ее орбитальная группировка состоит из 35 спутников. В отличие от других GNSS, BeiDou имеет смешанную орбитальную конфигурацию: часть спутников движется по средней околоземной орбите (~21 500 км), а часть расположена на геостационарных (около 35 786 км) и наклоненных геосинхронных орбитах. В частности, в финальной конфигурации предусмотрено 3 спутника на геостационарной орбите, 3 на наклонных геосинхронных орбитах и 24 на средней орбите. Геостационарные аппараты «висят» над определенными точками над экватором и особенно полезны для предоставления региональных услуг в районе Китая (например, передачи коротких текстовых сообщений и дифференциальных поправок).
По точности китайская система приближается к конкурентам. Согласно официальным данным, стандартная погрешность определения координат ~10 м для открытого сервиса BDS. В реальных условиях в Китае точность за счет использования местных наземных станций может достигать нескольких метров, а для военных и специальных пользователей доступны закрытые сигналы с более высокой точностью. Система BeiDou полностью управляется правительством КНР. Сегодня все больше чипов в смартфонах и навигационных устройствах поддерживают BeiDou наравне с GPS и Galileo, что повышает надежность определения местоположения (многосистемные приемники могут использовать больше спутников на небосводе). Запуск последнего, 35-го, спутника BeiDou-3 в июне 2020 года стал знаковым событием — Китай официально объявил о полном развертывании собственной глобальной навигационной системы.
QZSS (Япония)
QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), или «Мичибики», — региональная навигационная система Японии. В отличие от глобальных GNSS, QZSS предназначена в первую очередь для дополнения и повышения точности GPS на территории Восточной Азии и Океании, особенно в городах между небоскребами и в горах, где сигнал GPS может заслоняться препятствиями. Система принадлежит правительству Японии и эксплуатируется компанией QZSSS. Официально QZSS начала предоставлять услуги в 2018 году, когда на орбите было 4 спутника. Японские инженеры выбрали для них так называемые «квазизенитные» орбиты — это высокоэллиптические геосинхронные орбиты, позволяющие спутнику большую часть суток находиться высоко над определенной точкой (возле Японии). Орбита QZSS синхронизирована с вращением Земли (период ~24 часа) и наклонена под углом ~43°, благодаря чему спутники в течение длительного времени зависают почти в зените над территорией Японии. QZS-6 уже обеспечивает новое поколение точных сервисов и оборонного мониторинга, а QZS-5 готовится завершить развертывание полноценной, устойчивой к сбоям японской навигационной сетки до конца 2025 года.
QZSS играет роль системы дополнения: она транслирует дополнительные сигналы, совместимые с GPS, а также дифференциальные поправки, повышающие точность позиционирования в регионе. В частности, QZSS предоставляет услугу Sub-meter Level Augmentation Service (SLAS) — субметровую поправку, а также Centimeter Level Augmentation Service (CLAS) — сервис сантиметрового уровня точности для специальных приемников. Испытания показывают, что с использованием CLAS можно достичь точности порядка 10 см в реальном времени в Японии. Таким образом, QZSS существенно улучшает качество навигации на японских островах: даже в густозастроенных районах сигнал с квазизенитных орбит поступает под более прямым углом, чем от спутников GPS, расположенных над горизонтом. В перспективе Япония будет иметь собственную независимую навигационную систему регионального охвата, совместимую с другими GNSS.
NavIC (Индия)
NavIC (Navigation with Indian Constellation) — индийская региональная навигационная система. Ранее была известна как IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), название NavIC (что созвучно со словом «навик», то есть «мореплаватель» или «рулевой») было принято в 2016 году. Система принадлежит Индийской организации космических исследований (ISRO) и разработана для обеспечения независимых навигационных услуг на территории Индии и в пределах ~1500 км вокруг нее. Орбитальная группировка NavIC состоит из 7 спутников: три из них размещены на геостационарных орбитах (над экватором и постоянно «висят» над фиксированными точками на долготе 32,5°E, 83°E и 131,5°E), еще четыре — на наклонных геосинхронных орбитах (наклон ~29°, долгота восходящего узла 55°E и 111,75°E). Все спутники расположены на высоте примерно 36 000 км, совершая один оборот за сутки.
NavIC обеспечивает региональное покрытие Индии с точностью позиционирования для гражданских пользователей до 20 м. Это несколько уступает глобальным системам, но достаточно для широкого круга задач навигации. Система предоставляет два основных режима: открытую службу (Standard Positioning Service) для всех желающих и закрытую (Restricted Service) для военных и спецслужб. В последние годы Индия активно продвигает поддержку NavIC в смартфонах и автомобильных навигаторах, чтобы повысить ее популярность. Например, некоторые новые модели телефонов уже совместимы с сигналами NavIC. Мотивом создания собственной системы было стремление к стратегической автономии — чтобы в случае конфликта или сбоев индийские военные и гражданские службы не зависели от GPS или ГЛОНАСС. В 2023 году ISRO начала обновление созвездия NavIC: запущено новое поколение спутников с поддержкой дополнительной частоты L1 для лучшей совместимости с приемниками и повышения точности. Несмотря на региональный масштаб, NavIC интегрирована в международную систему поиска и спасения Cospas-Sarsat и признана Международной морской организацией как составная часть всемирной системы радионавигации.
Starlink (США)
Starlink — это глобальная спутниковая система связи, созданная частной американской компанией SpaceX. Ее цель — обеспечить широкополосный доступ к интернету в любой точке планеты с помощью орбитальной группировки из тысяч малых спутников. В отличие от навигационных систем, Starlink использует низкую околоземную орбиту (LEO) высотой около 550 км. Спутники на такой высоте вращаются быстро (полный оборот ~95 мин) и покрывают относительно небольшой участок земной поверхности, поэтому для глобального покрытия требуется их большое количество. SpaceX постепенно разворачивает одну из крупнейших группировок в истории: по состоянию на 30 мая 2025 года на орбите 7578 КА, из которых 7556 работают, образуя сетку из десятков орбитальных плоскостей. Конечная конфигурация первого поколения предусматривает ~12 000 аппаратов, а компания имеет разрешение на развертывание до 42 000 в будущем.
Каждый спутник Starlink весит ~260 кг и оснащен плоскими фазированными антеннами для связи с пользовательскими терминалами, а также лазерными линками для обмена данными между спутниками. Пользователи Starlink имеют специальную небольшую спутниковую антенну («тарелку»), которая автоматически следит за перемещением аппаратов в небе. Сигнал от терминала идет к ближайшему спутнику, передается между спутниками (или к ближайшей земной станции) и далее выходит в интернет. Поскольку спутники летают низко, задержка сигнала невелика — ~20–40 мс, подобно наземному интернету. Однако каждый спутник находится над горизонтом конкретного терминала всего несколько минут, поэтому сеть спроектирована так, чтобы одна антенна успевала автоматически переключаться с одного спутника на другой без потери связи.
Starlink уже предоставляет высокоскоростной интернет миллионам пользователей в десятках стран мира. Система особенно полезна в регионах, где отсутствует развитая наземная инфраструктура — сельская местность, горные районы, океанические судоходные маршруты. Также Starlink используется для обеспечения связи во время чрезвычайных ситуаций и в зонах военных конфликтов, где традиционные сети разрушены или недоступны. SpaceX продолжает регулярно запускать новые партии спутников (ежемесячно осуществляются пуски ракет Falcon 9 с десятками аппаратов), заменяя выбывшие и расширяя покрытие. Кроме того, развертываются аппараты второго поколения (V2 Mini) с большей пропускной способностью. В ближайшие годы Starlink планирует запустить сервис Direct-to-Cell — прямого подключения обычных смартфонов к своим спутникам для отправки SMS и звонков, а также обеспечить глобальный интернет для авиации, морских судов и даже полярных регионов.
OneWeb (Великобритания)
OneWeb — еще одна мегагруппировка спутников для интернет-связи. В отличие от Starlink, проект OneWeb ориентирован больше на корпоративных и государственных клиентов, предоставление интернет-покрытия для операторов связи, морских и авиационных перевозчиков, а также удаленных сообществ. Спутники OneWeb также размещены на низкой орбите, но значительно выше Starlink — примерно на 1200 км над Землей. Они движутся по полярным орбитам (очерчивая меридианы), поэтому для глобального покрытия достаточно относительно меньшего количества аппаратов. Первая очередь системы будет состоять из 648 спутников на 12 орбитах с наклоном ~86,4°. Этого хватит, чтобы обеспечить интернет-покрытие почти 100% населенных территорий планеты (минимум 600 активных спутников необходимо для глобального сервиса). По состоянию на середину 2023 года OneWeb уже запустила большинство из запланированных аппаратов — более 630 спутников на орбите — и объявила о завершении формирования своего первого поколения группировки.
Каждый спутник OneWeb весит ~150 кг и оснащен транспондерами Ku-диапазона для интернет-связи. Система использует принцип «обратного шлюза»: пользовательские терминалы (на земле, в самолетах или кораблях) связываются со спутником, а тот передает трафик на ближайшую наземную станцию, подключенную к интернету. Из-за более высокой орбиты задержка сигнала несколько больше (~50–100 мс), однако один спутник охватывает большую площадь, поэтому для глобального покрытия требуется меньше аппаратов. OneWeb планирует обеспечивать скорость интернета до ~50-100 Мбит/с на пользователя. Компания делает акцент на сотрудничестве с телеком-операторами: модель бизнеса предполагает, что локальные партнеры будут распределять интернет от OneWeb конечным потребителям (в отличие от Starlink, который работает напрямую с клиентами через собственные терминалы).
OneWeb пережила перезапуск после банкротства в 2020 году — консорциум инвесторов во главе с правительством Великобритании и индийской компанией Bharti Global спасли проект. Впоследствии к совладельцам присоединился европейский оператор спутников Eutelsat, и в 2022–2023 годах OneWeb завершила развертывание первой очереди своих аппаратов с помощью ракет партнеров. Сейчас компания Eutelsat OneWeb планирует следующее поколение спутников, которые еще увеличат пропускную способность сети. Конкуренция на рынке спутникового интернета растет — кроме Starlink и OneWeb, подобные проекты разрабатывают Amazon (система Project Kuiper) и китайские компании. Впрочем, OneWeb уже заняла нишу, заключив соглашения на обеспечение интернетом арктических районов, авиалайнеров, круизных лайнеров и т. д., где традиционная связь недоступна.
Сравнение систем
Приведем в виде таблицы основные параметры рассматриваемых спутниковых систем — количество активных спутников, тип орбиты, географический охват, типичная точность позиционирования (для навигационных систем) и главное назначение системы:
| Система (страна) | Количество спутников* | Тип орбиты (средняя высота) | Охват | Точность | Назначение |
|---|---|---|---|---|---|
| GPS (США) | 31 | MEO (~20 200 км) | Глобальный | ≈ 5 м | Навигация |
| Galileo (ЄС) | 24–28 | MEO (~23 200 км) | Глобальный | ≈ 1 м | Навигация |
| BeiDou (Китай) | 35 | MEO + GEO / IGSO | Глобальный | ≈ 10 м | Навигация |
| QZSS (Япония) | 4 (7 планується) | Еліпт. GEO (~36 000 км) | Япония + APAC | до сантиметрів | Навигация (дополнение) |
| NavIC (Индия) | 7 | GEO / IGSO (~36 000 км) | Индия(+1500 км) | < 20 м | Навигация |
| Starlink (США) | ~6750 | LEO (~550 км) | Глобальный | — | Связь (интернет) |
| OneWeb (Великобритания) | 648 | LEO (~1200 км) | Глобальный | — | Связь (интернет) |
Как видно из таблицы, спутниковые системы навигации и связи разработаны под разные задачи, что определяет их конструкцию и параметры.
Глобальные навигационные системы (GPS, Galileo, BeiDou) имеют средневысотные орбиты ~20 тыс. км и относительно небольшое количество спутников (порядка 24–35) для покрытия всего земного шара. На такой высоте один спутник «видит» большую часть поверхности Земли, поэтому ~30 аппаратов достаточно, чтобы несколько из них одновременно находились над горизонтом в любой точке планеты. Это оптимальный баланс между количеством спутников и их охватом. Точность этих систем для массового пользователя — около 3–5 м, но европейская Galileo уже предоставляет метровую и даже субметровую точность благодаря новейшим технологиям. Китайская BeiDou отличается наличием геостационарных спутников — они позволяют предоставлять дополнительные услуги над территорией Китая (например, короткие сообщения) и повышать надежность покрытия. Важно, что современные приемники умеют использовать сигналы сразу нескольких GNSS, поэтому конечный пользователь выигрывает от синергии: например, телефон одновременно ловит GPS, Galileo и BeiDou, получая больше видимых спутников и лучшую точность позиции.
Региональные навигационные системы (NavIC, QZSS) покрывают ограниченные территории, поэтому могут обойтись еще меньшим количеством спутников или особыми орбитами. Индийская NavIC из 7 аппаратов фокусируется на своем регионе, используя геостационарные платформы — это гарантирует постоянное пребывание спутников над Индией. Ее точность (~10–20 м) хуже GPS, однако достаточна для региональных нужд, а главное — она подконтрольна Индии, что важно для национальной безопасности. Японская QZSS тоже имеет только 4–7 спутников, но за счет специальных эллиптических орбит всегда есть хотя бы один «над головой» в Японии, что существенно улучшает прием сигнала в городах и горах. QZSS фактически не заменяет GPS, а работает вместе с ним: японские пользователи получают сигналы GPS, дополненные локальными поправками QZSS, благодаря чему могут достигать сантиметровой точности в геодезии и прецизионных применениях. Таким образом, региональные системы дополняют глобальные, иногда обеспечивая дублирование и страхование на случай отказа последних.
Спутниковые системы связи (Starlink, OneWeb) кардинально отличаются от навигационных. Они не определяют координаты, а передают большие объемы данных. Для минимизации задержек сигнала эти системы расположены на низких орбитах (сотни километров). Однако на такой высоте один спутник покрывает небольшой участок, поэтому для глобального покрытия требуются десятки тысяч аппаратов. Компания SpaceX пошла по пути максимально низкой орбиты ~550 км и массового производства спутников — Starlink уже насчитывает тысячи аппаратов и постоянно увеличивается. Вместо этого OneWeb выбрала орбиту ~1200 км — спутников нужно меньше (сотни), но время задержки сигнала немного больше. Обе системы обеспечивают высокоскоростной интернет в районах, где наземная связь отсутствует или ненадежна, и фактически дополняют земную телеком-инфраструктуру из космоса. В отличие от геостационарных спутников связи, которые использовались ранее и размещены на 36 тыс. км (например, спутники телевизионного вещания или старые системы VSAT), новые LEO-группировки дают значительно меньшую задержку и могут обеспечить более высокую пропускную способность, распределив нагрузку между тысячами аппаратов. Это открывает возможности для интернета вещей, подключения самолетов и кораблей, а также предоставления интернета в кризисных ситуациях (когда наземные сети повреждены).
И Starlink, и OneWeb планируют дальнейшее расширение и обновление своих систем. Конкуренция стимулирует быстрый прогресс: уменьшаются размеры и стоимость пользовательских антенн, запускаются новые поколения спутников с большими возможностями (например, Starlink V2 оснащены лазерными межспутниковыми линками для прямой ретрансляции между аппаратами). Государства также внимательно следят за такими проектами, ведь глобальные спутниковые интернет-сети поднимают вопросы регулирования, безопасности и ответственности в космосе (в частности, избежание космического мусора и предотвращение столкновений на орбите.
Спутниковые навигационные и связочные системы — яркий пример того, как космические технологии служат повседневным потребностям человечества. GPS, Galileo, BeiDou и другие навигационные сети позволяют любому человеку с приемником в кармане определить свое местоположение за считанные секунды с точностью до нескольких метров — будь то на оживленной улице мегаполиса или посреди океана. Они обеспечивают точное измерение времени, что лежит в основе работы финансовых систем и электросетей. Одновременно стремительно развиваются спутниковые системы связи, такие как Starlink и OneWeb, которые стремятся предоставить доступ к скоростному интернету в каждый уголок планеты, преодолевая цифровое неравенство.
В будущем можно ожидать еще большей интеграции этих систем в нашу жизнь. Многосистемные навигаторы будут использовать все доступные GNSS для максимальной точности и безотказности. Спутниковый интернет станет частью глобальной телекоммуникационной инфраструктуры, дополняя наземные 5G/6G сети и обеспечивая связь для автономных транспортных средств, умных устройств и даже целых городов. Разнообразие систем также означает большую устойчивость: если одна сеть выйдет из строя или будет недоступна, ей на смену придет другая. Таким образом, группировка спутников над нами — это не только блестящие точки на ночном небе, но и залог того, что наш современный мир будет оставаться взаимосвязанным, точным и информативным при любых обстоятельствах.
