Как устроена спутниковая навигация

4 октября 1957 года на орбиту Земли был выведен первый искусственный спутник, советский космический аппарат с кодовым обозначением «ПС-1» (Простейший спутник-1). Вывод осуществила ракета-носитель, созданная на базе межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, стартовавшая с 5-го научно-исследовательского полигона министерства обороны СССР «Тюра-Там» (впоследствии - Космодром «Байконур»).

Это событие не только положило начало новой технологической эры, но и без преувеличения изменило весь мир. Идея освоения космоса, прежде исключительно умозрительная, преодолела теоретический академизм научных кафедр и в одночасье покорила умы миллионов людей. Из гипотез и экспериментов вдохновенных одиночек выросла одна из самых мощных и перспективных отраслей мировой экономики. Без надежных спутниковых систем невозможно представить себе современное общество, полностью зависящее от оперативности и достоверности информации.

В частности, на базе спутниковой связи строятся глобальные системы навигации и геопозиционирования – российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo. Современному человеку достаточно иметь приемное устройство, настроенное на сигналы той или иной системы, чтобы в любое время и в любом месте, с минимальной погрешностью определить свое местонахождение. При необходимости можно получить даже трехмерную координату, включая положение в околоземном пространстве, а с учетом развития транспортных средств, в том числе беспилотных, эксплуатируемых и для личных нужд, можно предположить рост востребованности этой опции. Самые передовые технологии, некогда использующиеся исключительно для нужд госбезопасности о обороны все шире проникают в общегражданскую жизнь, в сферу частного бытового применения.  
  
Ведущим разработчиком навигационных модулей в России является московское АО «НИИ микроэлектронной аппаратуры «Прогресс» - прямой наследник первых советских НИИ зарождающейся в 1960-х годах микроэлектроники. В июне 1963 года на базе научно-исследовательского технологического института (НИТИ) и Центрального конструкторского технологического бюро (ЦКТБ) был создан Центральный научно-исследовательский технологический институт (ЦНИТИ), как головная организация формирующейся отрасли. Начиная с 1967 года ЦНИТИ интенсивно занимается созданием технологии производства и оборудования для многослойных печатных плат, которые послужили конструктивной основой в изделиях общепромышленного и оборонного назначения.



Спустя 20 лет, в 1987 году на базе подразделения института, занимающегося полупроводниковыми технологиями, автоматизированным проектированием, изготовлением фотошаблонов, разработкой сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем (СБИС и ССИС) было создано Специальное конструкторское технологическое бюро «Прогресс». В бюро было также передано специализированное подразделение НИИ автоматики, специализирующегося на криптографии и засекреченной связи, а также лаборатории микроэлектроники ряда научных центров. Заслуга формирования головной организации отрасли принадлежит первому директору «Прогресса» Борису Васильевичу Баталову (1938-1989 г.г.) и главному конструктору Владимиру Георгиевичу Немудрову, который позднее возглавил предприятие.

В 90-х годах на базе НИИМА «Прогресс» создан первый отечественный высокопроизводительный межотраслевой центр проектирования специализированных субмикронных СБИС. Было разработано около 50 типов специализированных БИС различной сложности, в частности, комплект БИС, для аппаратуры цифровых систем передачи информации на высокоинтегрированной элементной базе для местных, внутризоновых и магистральных сетей связи. Этот универсальный комплект давал возможность поддерживать скорости передачи от 2 до 140 Мбит/с по любой среде: коаксиальный кабель, оптоволокно, радиорелейная линия.

«Прогресс» разрабатывает микроэлектронику для десятков предприятий по всей стране, - его заказчиками выступают НИИ дальней связи, НПО «Красная заря», НПО «Морион», НПО «ТЕЛТА», МНИТИ, ВНИИТ, НИИ им. Мануильского, КНИИТМУ, МНИРТИ и т.д. При этом серийное производство осуществлялось на нескольких фабриках – «Ангстрем», НИИЭТ и НПО «Интеграл» (Минск).
Оригинальная разработка кодека сверточных кодов с декодированием по алгоритму Витерби, выполненная по технологии КМОП 0,8 мкм, получила золотую медаль на выставке изобретений в Брюсселе «Эврика-94». На тот момент это был самый быстродействующий кодек в мире.

В 1996 году в России были радикально пересмотрены отраслевые требования и регламенты, практически поставившие крест на использовании российского телекоммуникационного оборудования. В результате рынок стал массово заполняться продукцией международных поставщиков.

«Прогресс» переживает этот период за счет опыта взаимодействия с ведущими международными производителями, в числе которых Motorola, Sony, Toshiba, Cyprus Semiconductor, Fujitsu, ZMD, Cadence, Compass. Институт разрабатывает первый в России субмикронный кристалл: 70 тысяч вентилей с первого раза! Научный доклад на эту тему на международной конференции принес «Прогрессу» заказы на проектирование от крупнейших мировых вендоров: Motorola, Nortel, VLSI Technology, Gold Star (ныне LG), SGS Thomson, ZVT, ZMD, Cadence, Compass.
Здесь стоит напомнить, что речь идет не о заре электронной промышленности, кибернетики и микроэлектроники, когда СССР был признанных мировым лидером разработок. Российский дизайн-центр выполнял заказы для транснациональных корпораций уже в эпоху расцвета потребительской электроники.



Навигационными приемниками «Прогресс» занялся после встречи с командой разработчиков аппаратуры ГЛОНАСС из ФГУП «Российский НИИ космического приборостроения» (ныне – АО «Российские космические системы»). Идея заключалась в том, чтобы создать национальную систему спутниковой навигации, не зависящую от геополитических обстоятельств. Разработчиков ГЛОНАСС заинтересовала микросхема согласованного фильтра (каскадируемого коррелятора), разработанная «Прогрессом» на рубеже 1980–90-х годов. Микросхема поистине легендарная и используемая до сих пор в составе различного оборудования. Например, именно на ней построен абонентский терминал беспроводной связи «Акведук-К», выпускаемый концерном «Созвездие».

Первую навигационную СБИС для коммерческого рынка услуг навигации «Прогресс» создал в 2002 году, а всего разработано более десятка микросхем по технологии от 1,2 до 0,13 мкм. Объемы продаж отдельных моделей достигали сотен тысяч штук. При этом «Прогресс» фактически формировал национальный рынок навигационной аппаратуры, финансируя за счет собственных средств серийное производство и выстраивая каналы продаж.

Сегодня «Прогресс» концентрируется на одном из перспективных направлений развития навигационных технологий – создании высокоточного оборудования, способного работать в условиях существенных помех, а также с энергоэффективными сетями связи, ориентированными на интернет вещей. На международном авиакосмическом салоне «МАКС-2017» институт представил новый навигационный чип ПРО-04, который способен принимать сигналы трех основных навигационных систем: ГЛОНАСС, GPS и Galileo. Навигационный модуль, реализованный в виде системы в корпусе размером 8х8 мм, включает чип радиоприемного тракта, цифровой чип, решающий различные задачи цифровой обработки сигналов, и флэш-память. Цифровой чип «система на кристалле» выполнен по технологии КМОП 55 нм. По своим характеристикам модуль может конкурировать с лучшими мировыми образцами и способен обеспечивать сантиметровую точность навигации с использованием дифференциальных фазовых поправок. На «МАКСе» было объявлено о работах по созданию четырехсистемного навигационного модуля с поддержкой китайской навигационной системы Beidou, по топологии 40 нм.

В настоящее время в мире масштабно развернуто только 2 системы – американская GPS и российская ГЛОНАСС. Европейская Galileo и китайская Beidou находятся в начальных стадиях развития. «Прогресс» разрабатывает унифицированную микроэлектронную аппаратуру, для которой спутники разных систем равноправны. В то же время реализуется режим «Использование только спутников ГЛОНАСС», который обеспечивает точную навигацию в случае, если управляющий центр GPS закроет систему для использования российскими потребителями.

Современная спутниковая навигация – это не только определение координат. Геопозиционирование становится основой для создания беспилотного транспорта различного назначения, - «Прогресс» в настоящее время разрабатывает навигационную аппаратуру для беспилотного комбайна.


  Здесь стоит отметить недостатки спутниковых систем навигации – низкая энергетическая мощность сигналов спутника у поверхности Земли, что приводит к сбоям системы в условиях плотной городской застройки, горных массивов или сильных осадков, а также постоянство этого сигнала, позволяющее его симулировать с корыстными или враждебными целями. Поэтому, развивая аппаратуру для спутниковых систем (например, «Прогресс» разрабатывает первый российский 2G/3G для «ЭРА-ГЛОНАСС»), институт проектирует локальную систему навигации, основанную на сигналах наземных базовых станций. Система обеспечивает приемную мощность сигнала в 10 тыс. раз выше, чем спутник, а внедрение регламента автоматического изменения параметров сигнала позволяет защитить пользователя от несанкционированного воздействия.

Снижение себестоимости навигационной аппаратуры обеспечивает ей повсеместное применение. Любое взаимодействие, или перемещение в пространстве начинается с высокой точности привязки к месту, географической координаты. Уже сейчас существуют специальные трекеры для детей и престарелых, и даже животных. Можно предположить еще целый ряд сфер капитализации навигационных технологий. И разумеется без них невозможно представить себе развитие роботизированной техники и полноценного интернета вещей.

Тем более значимой датой оказывается 4 октября 1957 года, когда на орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли.