Для определения местоположения в настоящее время наиболее широкое применение нашли глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): российская ГЛОНАСС и американская GPS .

В первую очередь это связано с доступностью и миниатюризацией устройств навигации. Персональный навигатор сегодня стал таким же обыденным устройством, как мобильный телефон или компьютер.

Кроме того, ГНСС обладают высокой точностью определения навигационных параметров и имеют глобальное покрытие.

Принцип работы ГНСС

Принцип определения местоположения потребителя довольно прост, как все гениальное. Зная местоположения спутников (информация содержится в навигационном сигнале спутника) и расстояние до них можно путем несложных алгебраических вычислений однозначно определить свое местоположение в некоторой трехмерной системе координат. В идеале, чтобы получить три координаты потребителя, достаточно знать информацию о трех навигационных космических аппаратах (НКА).

Однако, не все так просто оказывается на практике. Все дело в том, что в ГНСС реализован принцип беззапросных измерений дальности, т.е. определяется время прохождения информационного сигнала от спутника до потребителя. А для того, чтобы это время определить с высокой точностью необходимо синхронизировать часы спутника и навигационной аппаратуры потребителя (НАП). В связи с этим для нахождения координат и рассогласования часов НАП и ГНСС необходимо знать параметры не менее чем о 4-х спутниках.

Космический сегмент ГЛОНАСС представляет собой орбитальную группировку из 24 НКА, расположенных в трех плоскостях по 8 спутников в каждой с высотой орбиты 19100 км и наклонением - 64,8°. Кроме того, в каждой плоскости должен находиться один резервный спутник. НКА излучают радиосигналы на собственных частотах.

Наземный сегмент состоит из космодрома, командно-измерительного комплекса и центра управления.

Ну и наконец сегмент, представляющий наибольший интерес потребителю, – пользовательский, в который входит НАП.

ГНСС сегодня

Современные отечественные приемники гражданского применения, устанавливаемые на НАП транспортных средств, работают по сигналам ГЛОНАСС (L1-диапазон, СТ-код) и GPS (L1, С/А-код) и позволяют определять (по уровню вероятности 0,95 при значении геометрического фактора не более 3):

координаты в плане с погрешностью не более 10 м и по высоте – не более 15 м;

плановую скорость с погрешностью не более 0,15 м/с.

На сегодняшний момент применение односистемных приемников ГНСС в НАП (только ГЛОНАСС или только GPS) практически сошло на нет. В первую очередь это связано с тем, что в условиях современного городского ландшафта неизбежно затенение радиовидимости спутников. Примером является работа НАП вблизи стены дома, когда физически половина небосвода закрыта. В конечном счете это приводит к тому, что возможности по точному позиционированию объекта снижаются, а иногда становится невозможным. Использование двух навигационных систем улучшает и расширяет возможности для потребителей.

В таких условиях использование ГЛОНАСС совместно с GPS существенно повышает надежность и достоверность работы НАП по определению координат.

До сих пор сложно поверить, что в наш век "дикой" коммерции существует абсолютно бесплатная (при наличии технических средств) возможность определения своего местоположения в любой точке земного шара. Это одно из величайших изобретений XX века! Эта многомиллиардная по своим капиталовложениям система (сегодня их несколько) задумывалась прежде всего в интересах обороны (и науки), но прошло совсем немного времени и ей ежедневно стал пользоваться почти каждый человек. Под gps навигатором будем понимать специальное радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения (позиционирования).

К написанию этого поста меня подтолкнула фраза известного в узких кругах туриста про навигатор Garmin Etrex 30x.
Вот цитата из его статьи : "Спутниковая система: GPS/GPS+Глонасс/Демо режим. Не наводит ни на какую мысль то, что только Глонасс включить нельзя? Так вот его там и нету. В инструкции об этом ничего не сказано. Можете смеха ради взять в одну руку Garmin, а в другую смартфон с Глонассом, открыть экран отображения спутников и попытаться найти похожие. Это просто эмуляция, так что что вы поставите GPS или GPS+GLONASS не важно."
Как вам такое заявление? Только не кидайтесь тапками сразу проверять. Поскольку тут фигурируют понятия "GPS", "GLONASS" и "Garmin", то придется раскрыть тему полностью.

1 - GPS
Первой системой глобального позиционирования стала американская система NAVSTAR, которая берет своё начало в 1973 году. Уже в 1978 году был запущен первый спутник, что можно считать началом эры Global Positioning System (GPS), а в 1993 году орбитальная группировка насчитывала 24 космических аппаратов (КА), но только в 2000 году (после деактивации режима селективного доступа) началась штатная эксплуатация для гражданских пользователей.
Спутники NAVSTAR находятся на высоте 20200 км с наклонением 55° (в шести плоскостях) и периодом обращения 11 часов 58 минут. В GPS используется Всемирная геодезическая система 1984 года (World Geodetic System - WGS-84), что стало стандартом систем координат для всего мира. ВСЕ навигаторы определяют местоположение (показывают координаты) в этой системе по умолчанию.

Группировка на сегодняшний день состоит из 32 спутников. Самый ранний в системе от 22 ноября 1993 года, самый поздний (последний) - 9 декабря 2015 года.


()

2 - ГЛОНАСС
Отечественная навигационная система началась с системы "Цикада" в составе четырех спутников в 1979 году. Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 году. В 1995 году развернута орбитальная группировка полного состава (24 КА «Глонасс» первого поколения) и начата штатная эксплуатация системы. С 2004 года запускаются новые КА "Глонасс-М", которые транслируют два гражданских сигнала на частотах L1 и L2.
Спутники ГЛОНАСС находятся на высоте 19400 км с наклонением 64,8° (в трех плоскостях) и периодом 11 часов 15 минут.

Группировка на сегодняшний день состоит из 24 спутников. Самый ранний в системе от 3 апреля 2007 года, самый поздний (последний) - 16 октября 2017 года.


()

Таблица с номерами спутников ГЛОНАСС. Есть номер ГЛОНАСС и номер COSMOS. В наших смартфонах совсем другие номера спутников. От 1 это GPS, от 68 - ГЛОНАСС.
Более того - они даже другие в навигаторе и смартфоне.

Теперь посмотрим на программу "Orbitron". Днём 4 апреля на небосводе в Ижевске "пролетало" 10 спутников системы ГЛОНАСС.

Или в другом представлении - на карте. Есть все данные о каждом спутнике.

Основное отличие двух систем - это сигнал и его структура.
В системе GPS используется кодовое разделение каналов . Сигнал с кодом стандартной точности (C/A-код), передаваемый в диапазоне L1 (1575,42 МГц). Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями двух типов: C/A-код и P-код. C/A - общедоступный код - представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1,023 МГц.
В системе ГЛОНАСС частотное разделение каналов . Все спутники используют одну и ту же псевдослучайную кодовую последовательность для передачи открытых сигналов, однако каждый спутник передаёт на разной частоте, используя 15-канальное разделение по частоте. Навигационные радиосигналы с частотным разделением в двух диапазонах: L1 (1,6 ГГц) и L2 (1,25 ГГц).
Структура сигнала так же различна. Для описания движения спутников по орбите используются принципиально разные математические модели. У GPS - это модель в оскулирующих элементах. Эта модель подразумевает, что траектория движения спутника разбивается на участки, на которых движения описывается кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. В системе ГЛОНАСС используется дифференциальная модель движения.
Теперь к вопросу о возможности совмещения. 2011 год прошёл под эгидой поддержки ГЛОНАСС. При проектировании приёмников, важно было преодолеть проблемы несовместимости аппаратной поддержки ГЛОНАСС и GPS. То есть частотно-модулированный сигнал ГЛОНАСС потребовал более широкой полосы частот, чем сигналы импульсно-кодовой модуляции, используемые GPS, полосовых фильтров с разными центрами частот и разной скоростью передачи элементов сигнала. Для экономии энергии в навигаторах рекомендуется включить режим "только GPS".

3 - Garmin
Американская компания-производитель портативных навигационных устройств получила всемирную известность в первую очередь благодаря туристическим GPS навигаторам (серии GpsMap, eTrex, Oregon, Montana, Dakota) и автомобильным навигаторам, спортивным часам и эхолотам. Штаб-квартира находится в городе Олэт (штат Канзас). C 2011 года компания Garmin начала продажи навигаторов GPSMAP 62stc с возможностью приема и обработки сигнала от спутников GPS и GLONASS. Однако информация о используемых производителях чипов стала коммерческой тайной.

Применение двухсистемных приемников помогает повысить качество навигации в реальных условиях, на точности же определения координат двухсистемность никак не отражается. Недостаточный сигнал от спутников одной системы в данном месте и в данное время компенсируется спутниками другой системы. Максимальное число "видимых" спутников на небосводе в идеальных условиях: GPS - 13, ГЛОНАСС - 10. Именно по этой причине большинство обычных (не геодезических) приемников 24-х канальные.

Вот результаты теста от 2016 года. К сведению - НАП-4 и НАП-5 используют навигационные приемники ижевского радиозавода МНП-М7 и МНП-М9.1 соответственно.

Выводы. Лучшие результаты по точности позиционирования на маршруте эксперимента показали НАП-1, НАП-2, НАП-4. У всех НАП точность позиционирования достаточна для уверенной навигации во всех режимах. При этом точность позиционирования в режиме GPS и в совмещенном режиме несколько лучше, чем в режиме ГЛОНАСС.
Результаты НАП-3 с экспериментальным ПО по точности позиционирования в плане во всех режимах хуже, чем у такого же приемника с штатным ПО (НАП-2). В точности по высоте такой разницы не наблюдается. Исключением являются большие ошибки в совмещенном режиме, вызванные разовым сбоем в работе НАП, который привел к сильным отклонениям.
Результаты НАП-5 в целом хуже, чем у НАП того же производителя предыдущего поколения (НАП-4). Наблюдалось незначительное улучшение точности позиционирования в плане в режиме ГЛОНАСС. ()

Антенна навигатора принимает спутниковые сигналы и передаёт в приемник, который обрабатывает их. Чипы для навигационных устройств, поддерживающие работу с GPS+Глонасс, сегодня производят многие компании: Qualcomm (SiRFatlas V, drol_links в Гарминах стоит приёмник STA8088EXG от одной из крупнейших европейских компаний STMicroelectronics .

Выводы для пользователей навигатора Garmin:
1. В навигаторах и часах Garmin (после 2011 года) появилась возможность выбрать (включить приём и обработку сигнала) либо GPS, либо GPS+ГЛОНАСС. Отдельно ГЛОНАСС не предусмотрен по причине того, что это Garmin (ну как америкосы включат только что-то российское?)
2. В идеальных или близких к ним условиях (степь, равнина) вторая система не обязательна. В горах, городе и северных широтах - очень желательна. Но расход энергии будет больше.
3. Уж если производители смартфонов смогли "запихать" эту возможность в свои компактные девайсы, то почему это "не получилось" у Garmin?
Удачи!

Спутниковой навигацией пользуются водители, велосипедисты, туристы – даже любители утренних пробежек отслеживают собственный маршрут при помощи спутников. Вместо того чтобы расспрашивать прохожих, как найти нужный дом, большинство предпочитают достать смартфон и задать этот вопрос ГЛОНАСС или GPS. Несмотря на то, что модули спутниковой навигации установлены в каждом смартфоне и в большинстве спортивных часов, только один человек из десяти понимает, как работает эта система и как в море девайсов с функциями GPS/ГЛОНАСС найти подходящий.

Как устроена спутниковая навигационная система

Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System: «система глобального позиционирования», если переводить дословно. Идея использовать спутники на околоземной орбите для определения координат наземных объектов появилась в 1950-е, сразу после того, как Советский Союз запустил первый искусственный спутник. Американские ученые отслеживали спутниковый сигнал и обнаружили, что его частота меняется, когда спутник приближается или отдаляется. Поэтому, зная свои точные координаты на Земле, можно вычислить и точное расположение спутника. Это наблюдение и дало толчок для разработки глобальной системы расчета координат.

Первоначально открытием заинтересовался флот – разработку начала военно-морская лаборатория, но со временем было решено создать единую систему для всех вооруженных сил. Первый спутник GPS вывели на орбиту 1978-м. Сейчас сигналы передают около тридцати спутников. Когда навигационная система заработала, военные ведомства США сделали подарок всем жителям планеты – открыли свободный доступ к спутникам, так что каждый может пользоваться Global Positioning System бесплатно, был бы приемник.

Вслед за американцами Роскосмос создал свою систему: первый спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1982 году. ГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая система, работающая по тому же принципу, что и американская. Сейчас на орбите находятся 24 российских спутника, которые обеспечивают координирование.

Чтобы воспользоваться одной из систем, а лучше двумя одновременно, нужен приемник, который будет получать сигналы от спутников, а также компьютер для расшифровки этих сигналов: местоположение объекта вычисляется, исходя из интервалов между полученными сигналами. Точность вычислений – плюс-минус 5 м.

Чем больше спутников «видит» устройство, тем больше информации может предоставить. Для определения координат навигатору достаточно увидеть всего два спутника, но если он запеленгует хотя бы четыре спутника, девайс сможет сообщить, например, скорость передвижения объекта. Поэтому современные навигационные устройства считывают все больше параметров:

• Географические координаты объекта.
• Скорость его передвижения.
• Высоту над уровнем моря.

Какие могут возникнуть погрешности в работе GPS/ГЛОНАСС

Спутниковая навигация хороша тем, что доступна круглосуточно из любой точки планеты. Где бы вы ни находились, если у вас есть приемник – вы сможете определить координаты и построить маршрут. Однако на практике сигнал спутников могут глушить физические препятствия или погодные катаклизмы: если вы проезжаете подземный туннель, а сверху к тому же бушует шторм, сигнал может не «добить» до приемника.

Эту проблему решили за счет технологии A-GPS: она предполагает, что приемник обращается через альтернативные каналы связи к серверу. Тот, в свою очередь, использует данные, полученные от спутников. Благодаря этому можно пользоваться навигационной системой в помещениях, туннелях, в непогоду. Технология A-GPS рассчитана на смартфоны и прочие персональные устройства, поэтому, выбирая навигатор или смартфон, уточняйте, поддерживает ли он этот стандарт. Так вы сможете быть уверенными, что устройство не подведет в ответственный момент.

Владельцы смартфонов иногда жалуются, что навигатор работает не точно или периодически «отключается», не определяет координаты. Как правило, это связано с тем, что в большинстве смартфонов функция GPS/ГЛОНАСС по умолчанию отключена. Для расчетов координат устройство использует сотовые вышки или беспроводной интернет. Проблема решается настройкой смартфона, активацией нужного способа определения координат. Также может потребоваться калибровка компаса или сброс настроек навигатора.

Виды навигаторов

• Автомобильные. Навигационные система, завязанная на спутниках ГЛОНАСС или их американских аналогах, может быть частью бортового компьютера авто, но чаще покупают отдельные устройства. Они не только определяют координаты машины и позволяют без проблем добраться из пункта А в пункт Б, но также защищают от угона. Даже если злоумышленники угонят машину, ее можно будет отследить по маячку. Плюс специальных устройств для авто еще и в том, что они предусматривают установку антенны – за счет антенны можно усилить ГЛОНАСС-сигнал.
• Туристические. Если в автомобильный навигатор можно установить специальный набор карт, то к туристическим устройствам предъявляются более строгие требования: современные модели допускают использование расширенного набора карт. Однако самый простой туристический девайс – это только приемник сигнала с простейшим компьютером. Он может даже не отмечать координаты на карте, и тогда потребуется бумажная карта с навигационной сеткой. Впрочем, сейчас такие устройства покупают только из соображений экономии.
• Смартфоны, планшеты с GPS/ГЛОНАСС-приемником. Смартфоны также позволяют загрузить расширенный набор карт. Их можно использовать, как автомобильные и туристические навигаторы, главное – установить приложение и загрузить необходимые карты. Многие из полезных навигационных программ – бесплатные, но за некоторые нужно заплатить небольшую сумму.

Навигационные программы для смартфонов

Одна из самых простых программ, рассчитанных на тех, кто не хочет вникать в функционал: MapsWithMe. Она позволяет загрузить из сети карту нужного региона, чтобы затем пользоваться ею, даже если соединения с интернетом не будет. Программа покажет местоположение на карте, отыщет отмеченные на этой карте объекты – их можно сохранять в закладки и пользоваться потом быстрым поиском. На этом функционал исчерпывается. Программа использует только векторные карты – другие форматы загрузить нельзя.

Владельцы устройств на Android могут воспользоваться программой OsmAnd. Она подходит водителям и пешеходным туристам, поскольку позволяет автоматически проложить маршрут по автодорогам или горным тропинкам. ГЛОНАСС-навигатор будет вести вас по маршруту голосовыми командами. Кроме векторных карт, можно использовать растровые, а также отмечать путевые точки и записывать треки.

Ближайшая альтернатива OsmAnd – приложение Locus Map. Оно подойдет для пешеходных туристов, поскольку напоминает классическое навигационное устройство для туристов, какие были в ходу до появления смартфонов. Использует и векторные, и растровые карты.

Туристические устройства

Смартфоны и планшеты могут заменить специальное GPS/ГЛОНАСС-устройство для туризма, но у такого решения есть свои недостатки. С одной стороны, если есть смартфон, не нужно покупать никаких дополнительных девайсов. На большом ярком экране легко работать с картой, выбор приложений широкийо – мы указали всего несколько программ, охватить все предложения невозможно. Но у смартфона есть и недостатки:

• Быстро разряжается. В среднем устройство работает сутки, а в режиме постоянного поиска координат – и того меньше.
• Требует бережного обращения. Конечно, существуют защищенные смартфоны, но кроме того, что они дорогие, надежность такого смартфона все равно не сравнится со специальным туристическим ГЛОНАСС-устройством. Оно может быть полностью водонепроницаемым.

Для многодневных походов по дикой местности разработаны специализированные устройства, во влагозащищенных корпусах и с мощными аккумуляторами. Однако при выборе такого прибора важно уточнять, чтобы он поддерживал и векторные, и растровые карты. Растровая карта – это изображение, привязанное к координатам. Вы можете взять бумажную карту, отсканировать ее, связать с координатами ГЛОНАСС – и получится растровая карта. Векторные карты – не картинка, но набор объектов, которые программа размещает на изображении. Система позволяет запустить поиск по объектам, но самостоятельно создать подобную схему сложно.

) предназначен для определения текущих координат, высоты, скорости и времени по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, GPS и SBAS (WAAS, EGNOS). Легко встраивается в навигационные комплексы и системы.

Область применения

Навигационный приемник может применяться в высокоточных навигационных системах, в том числе в системах с высокой динамикой объектов, в системах управления движением железнодорожного, автомобильного, воздушного, морского, речного и других видов транспорта.

Модуль приемника выполнен в виде печатной платы с односторонним расположением элементов и контактными площадками под поверхностный монтаж.

Технические характеристики

Навигационные характеристики

Электрические характеристики и конструктив

Введение в систему ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) это спутниковая радионавигационная система, позволяющая неограниченному числу потребителей в любой точке Земли и воздушного пространства независимо от метеоусловий определять с высокой точностью свои координаты, скорость движения и точное время. Области использования системы ГЛОНАСС обширны и разнообразны. Среди них можно выделить следующие:

1. Организация воздушного и морского движения, повышение безопасности полетов и мореплавания.


2. Геодезия и картография, составление земельных и лесных кадастров, строительство дорог, прокладка коммуникаций и трубопроводов контроль сейсмически опасных районов, геология и разведка полезных ископаемых, разработка нефтяных и газовых месторождений на участках прибрежных шельфов, определение параметров вращения Земли и т. д.


3. Мониторинг наземного транспорта, организация и управление движением грузов, междугородним железнодорожным и автотранспортом, создание «интеллектуальных» транспортных средств.


4. Синхронизация шкал времени удаленных друг от друга объектов.


5. Экологический мониторинг, организация поисково-спасательных работ.

Характеристики системы ГЛОНАСС

• Точность навигационных определений по положению, м (99,7% вероятности) — 50—70.


• Точность определения составляющих вектора скорости потребителя, м/с (99,7% вероятности) — не хуже 0,15.


• Точность привязки эфемеридного времени к всемирному гринвичскому (99,7% вероятности) — 1 мкс.


• Время, необходимое для проведения: — первого навигационного определения — от 1 до 3 минут; последующих навигационных определений — от 1 до 10 c.

Первый спутник ГЛОНАСС (Космос 1413) был запущен 12 октября 1982 года. Официально система ГЛОНАСС введена в действие 24 сентября 1993 по распоряжению Президента Российской Федерации.

Как работает система ГЛОНАСС

Для определения трехмерных координат, скорости и времени потребитель использует навигационные сигналы, постоянно передаваемые спутниками ГЛОНАСС. Каждый спутник ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности (СТ) и высокой точности (ВТ). Сигнал СТ передается в диапазоне L с использованием принципа частотного разделения каналов. Это означает, что каждый спутник ГЛОНАСС передает навигационный сигнал на собственной несущей частоте: L1=1602 MHz + 0,5625n MГц, где n — номер частотного канала (n=0,1.2…). Спутники, которые находятся в противоположных точках плоскости орбиты (антиподальные спутники), могут передавать навигационные сигналы на одной и той же несущей. Одновременное нахождение антиподальных спутников в зоне видимости отдельного потребителя невозможно. Навигационный приемник потребителя автоматически принимает сигналы не менее чем от 4 спутников ГЛОНАСС и проводит измерения псевдодальностей до этих спутников и скоростей их изменения. Одновременно с проведением измерений из сигналов спутников выделяются и обрабатываются навигационные сообщения. В результате совместной обработки в процессоре приемника измерений и навигационных сообщений вычисляются три координаты потребителя, три составляющих скорости его движения и точное время.

Состав системы ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС включает в себя три подсистемы (сегмента): подсистему космических аппаратов (орбитальный сегмент), наземный комплекс управления (наземный сегмент) и подсистему (сегмент) потребителей.

Подсистема космических аппаратов

Полностью развернутая орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 космических аппаратов, размещенных в трех орбитальных плоскостях. Плоскости разнесены по долготе на 120 градусов и сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15 градусов. В каждой плоскости размещены по восемь спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45 градусов. Спутники расположены на круговых орбитах с наклонением 64,8 градуса и периодом обращения, примерно равным 11 часов 15 минут. Такая конфигурация орбитальной группировки позволяет обеспечивать постоянное присутствие как минимум 5 спутников с приемлемой геометрией созвездия в зоне видимости потребителя, находящегося в любой точке Земли и околоземного пространства.

В настоящее время орбитальная подсистема ГЛОНАСС состоит из 24 работающих спутников и одного резервного. При этом обеспечивается непрерывное навигационное поле с постоянным нахождением 5…8 спутников ГЛОНАСС в зоне видимости потребителя. Характеристики наблюдаемости спутников ГЛОНАСС в северных широтах (> 50 градусов) лучше, чем характеристики наблюдаемости спутников GPS.

Спутник ГЛОНАСС

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется Военно-космическими силами России с космодрома Байконур. Носитель тяжелого класса «ПРОТОН» выводит одновременно три спутника. В состав бортовой аппаратуры спутника ГЛОНАСС входят навигационный комплекс, комплекс управления, системы ориентации, стабилизации, коррекции и т. д. Каждый спутник оснащен цезиевым стандартом времени/частоты, предназначенным для формирования высокостабильной бортовой шкалы времени и синхронизации всех процессов в бортовой аппаратуре. Бортовой компьютер обрабатывает, поступающую из НКУ навигационную информацию, и преобразовывает ее в формат навигационного сообщения для потребителей.

Навигационное сообщение

Навигационное сообщение передается в составе навигационного радиосигнала и включает в себя:

• спутниковые эфемериды, частотно-временные поправки к бортовой шкале времени относительно системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU);


• метки времени;


• альманах системы.

Эфемериды представляют собой точные координаты (x,y,z), и их первые и вторые производные, которые описывают положение спутника в геоцентрической системе координат ПЗ-90. Альманах содержит информацию о всех спутниках системы, а именно: кеплеровы элементы, грубые значения временных поправок к бортовому времени относительно системного и признаки исправности/неисправности каждого спутника.

Наземный комплекс управления

Управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления (НКУ). Он включает в себя Центр управления системой(ЦУС) (г. Голицыно-2, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по всей территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации о всех спутниках системы и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации. Траекторная информация периодически калибруется с помощью лазерных дальномеров (кванто-оптических станций) из состава НКУ. Для этого спутники ГЛОНАСС оснащены лазерными отражателями. Для правильного функционирования системы очень важна синхронизация всех процессов. Для этого в составе НКУ предусмотрен Центральный синхронизатор (ЦC), который представляет собой высокоточный водородный стандарт времени/частоты. ЦС синхронизирован с Национальным эталоном времени/частоты UTC(SU).

Разработка дифференциальных подсистем ГЛОНАСС в России

Вопросами исследования дифференциального режима навигации для системы ГЛОНАСС в России активно начали заниматься начиная с конца 70-хгодов, практически параллельно с разработкой самой системы ГЛОНАСС. В этих работах приняли активное участие ученые Центрального научно-исследовательского института Военно-космических сил, Российского научно-исследовательского института космического приборостроения, Российского института радионавигации и времени, научно-производственного объединения прикладной механики. Однако в силу различных объективных причин практическая реализация дифференциального режима навигации в России в виде дифференциальных подсистем затянулась.

Активизация работ по дифференциальным режимам навигации в России произошла в 1990—1991 годах. Необходимо отметить, что зоны действия некоторых зарубежных дифференциальных сетей GPS частично захватывают территорию России и акватории омывающих ее морей. Кроме того, отдельные зарубежные фирмы проявляют серьезный интерес к освоению российского рынка потребителей и развертыванию своих дифференциальных сетей на территории России. В этих условиях, возрос интерес российских потребителей и производителей навигационной аппаратуры к дифференциальным режимам навигации. Поэтому были активно начаты работы по созданию дифференциальных станций различного назначения.

В настоящее время в России существуют планы в создании локальных и региональных дифференциальных подсистем, обслуживающие самолеты и морские суда. Учитывая их ведомственную специализацию, обусловленную в основном выбранными каналами доведения корректирующих поправок до потребителей, использование этих систем другим более широким кругом потребителей, проблематично. Поэтому, следует ожидать в дальнейшем появления намерений о создании и других дифференциальных подсистем в интересах, например, навигационного обеспечения наземных транспортных перевозок. Таким образом, в России можно отметить тенденцию к созданию сети ведомственных дифференциальных подсистем, ориентированных на обслуживание потребителей определенного класса. По принципу формирования корректирующей информации эти системы являются локальными и их рабочие зоны не перекрывают территорию России. Такое развитие дифференциальных подсистем по пути простого арифметического наращивания их числа трудно назвать экономически оправданным. Поэтому, после проведенных исследований был предложен другой путь развития дифференциальных подсистем.

Центральным научно-исследовательскими нститутом Военно-космических сил совместно с Координационным научно-информационным центром в 1994 году был разработан и предложен вариант построения расширенной дифференциальной подсистемы на территории России с использованием инфраструктуры российского наземного комплекса управления космическими аппаратами. Эта широкозонная дифференциальная подсистема может обслуживать практически всех основных потребителей системы ГЛОНАСС на территории России. Принципы функционирования подобной расширенной системы и алгоритмы формирования корректирующей информации были ранее разработаны и практически проверены с использованием измерительной информации, получаемой средствами наземного комплекса управления системой ГЛОНАСС, а также в процессе совместных экспериментальных работ ЦНИИ ВКС, КНИЦ ВКС и Российской морской навигационно-геодезической компании в районах Дальнего Востока и Юго-Восточной Азии. В результате анализа состояния с развитием дифференциальных подсистем в России и за рубежом в 1994 году стало ясно, что разобщенное развитие локальных и широкозонной дифференциальных подсистем не отвечает современным требованиям. Для координации развития отдельных дифференциальных подсистем в России и с целью их последующего объединения в единую (государственную) дифференциальную систему в 1994 году было предложено разработать Концепцию построения дифференциальных подсистем системы ГЛОНАСС, что было отражено в межведомственном решении «О проведении работ по созданию дифференциальных подсистем различных уровней и системы контроля целостности». Такая концепция была совместно разработана Военно-космическимисилами и Министерством транспорта и утверждена в марте 1996 года.

Краткое описание концепции единой дифференциальной системы

В концепции определено, что Российская дифференциальная система должна иметь трехуровневую иерархическую структуру, включающую широко-зонные ДПС, сеть региональных ДПС, локальные ДПС. В концепции отмечено, каждый уровень РДС представляет самостоятельную подсистему, способную автономно решать свои задачи по назначению. В совокупности они должны представлять единую систему, обеспечивающую любых потребителей точной навигационной информацией. Первый уровень структуры РДС составляет широкозонная ДПС. Она выполняет функции: — сбора и обработки информации станций наблюдения, ККС второго и третьего уровней с целью оперативного уточнения параметров региональных моделей ионосферы, эфемерид и ЧВП КА ГЛОНАСС, а также информации о целостности системы; — передачи необходимой информации широкозонной ДПС на ККС второго и третьего уровней или непосредственно потребителям; — взаимодействие со средствами НКУ ГЛОНАСС (Центром управления системой, сектором контроля навигационного поля). Требуемое количество ККС1-го уровня — 3…5. Каждая ККС1-го уровня является центром широкозонной ДПС. Точность определения координат по сигналам ККС1-го уровня составляет 5—10 м на удалениях от ККС 1500—2000 км. По нашему мнению, создание сети ККС1-го уровня возможно на базе существующей инфраструктуры российского наземного комплекса управления космическими аппаратами, включающую пункты управления космическими аппаратами, систему обмена данными, вычислительные средства. В пользу этого говорят следующие обстоятельства: — измерительные пункты и наземные объекты российского комплекса управления космическими аппаратами рассредоточены по территории всей России, что позволит создать в варианте расширенной дифференциальной подсистемы дифференциальное поле КНС ГЛОНАСС, перекрывающее территорию России и близлежащих стран; — в комплексе уже существует развитая инфраструктура, система сбора и обработки навигационной информации в интересах управления КА различного назначения; — при функционировании широкозональной ДПС наиболее просто организовать взаимодействие НКУ системы ГЛОНАСС и средств ДПС с целью формирования как корректирующей дифференциальной информации, так и сигналов предупреждения о нарушении целостности. При этом, в интересах широкозонной ДПС может быть также использована информация региональных и локальных ДПС.

Второй уровень составляют региональные (специализированные) ДПС, которые создаются для охвата определенных районов, экономически наиболее развитых, с большим количеством потребителей или обслуживания отдельных классов потребителей. Районами развертывания региональных ДПС могут являться области с интенсивным движением (воздушным, морским, автомобильным, железнодорожным), районы со сложными метеоро-логическими условиями, районы изыскательских работ и др. Точность определений координат по сигналам ККС2-го уровня — 3…10 метров на удалениях от ККС до 500 км.

Третий уровень — это локальные ДПС, развертываемые в отдельных районах для решения частных экономических, научных и оборонных задач. К локальным ДПС могут быть отнесены также системы для проведения специальных (эпизодических) ведомственных работ, в том числе системы с постпроцессорной обработкой наблюдений. Локальные ДПС могут быть прецизионными и обеспечивать дециметровую точность пространственных определений на расстояниях до нескольких десятков километров. Они также могут создаваться в мобильных вариантах исполнения. В состав ДПС3-го уровня возможно включение псевдоспутников.

Объединенное использование GPS и ГЛОНАСС

Характеристики GPS и ГЛОНАСС

Таблица суммирует особенности GPS и ГЛОНАСС, структуры их сигналов, и точностные данные. Обе системы совершенно подобны. Разногласия касаются шести орбитальных плоскостей для GPS против трех для ГЛОНАСС, с кодовым разделением против частотного мультиплексирования сигналов выбора времени. Так как ГЛОНАСС имеет больший орбитальный наклон, то он дает лучшие результаты в полярных областях.

Как показано в таблице, каждая система передает сигналы на двух частотах. Только C/A код любой из систем доступен для гражданского использования. В ГЛОНАСС отсутствует преднамеренное понижение точности за счет SA. Фактическая точность любой из систем значительно лучше указанной и составляет порядка 30 метров.

США гарантирует неизменность структуры сигналов в течении 10 лет, Россия — в течении 15 лет, что означает неизменность схем приемников. Срок эксплуатации спутников GPS составляет 7 лет, ГЛОНАСС — 5. Из-за финансовых трудностей поддержание работоспособности российской системы остается сложной задачей.

GPS и ГЛОНАСС — автономные системы, каждая из которых имеет собственный временной стандарт. Стандарт GPS — универсальное кодированное время (UTC) американский эталон которого находится в Военно-морской Лаборатории США. Масштаб времени, принятый ГЛОНАСС — UTC (SU), национальный эталон Советского Союза. Разногласие между этими эталонами составляет в настоящее время 2 секунды, но стабильность этой разницы не гарантируется. Так как требуется определение и точное измерение времени, пользователь должен быть способен определить мгновенную разность между двумя стандартами времени. Задачу можно свести к оценке местоположения с помощью двух наборов псевдодиапазонов, каждый из которых содержит неизвестное смещение времени. Это приводит к увеличению количества неизвестных до 5. В самом крайнем случае можно решать задачу без дополнительного неизвестного, жертвуя измерением диапазона между эталонами. Но поскольку объединенное использование GPS и ГЛОНАСС имеет избыточное количество информации, такие ситуации крайне редки.

Две системы выражают положения их спутников и, следовательно, их пользователей в различных геоцентрических системах координаты. GPS основан на системе координат WGS84; ГЛОНАСС — на SGS85. Объединение систем координат требует оценки преобразования между ними. Экспериментальные результаты показывают, что координаты точек на земле, выраженные в различных системах координат, отличаются не больше, чем на 20 метров.

Малый процент (0,4%) пользователей GPS-21 видит менее четырех спутников. В случае объединенного использования систем GPS + ГЛОНАСС все пользователи видели бы по крайней мере восемь спутников одновременно (напомним, что для оценки местоположения требуются минимум четыре спутника), а 99% пользователей видят 10 и большее количество спутников, и почти половина видят четырнадцать и больше. Видно, что некоторые пользователи не способны оценить свое положение, используя GPS или ГЛОНАСС отдельно. С объединенной совокупностью спутников все пользователи имеют избыточные наборы измерений. В приведенной гистограмме учтены только спутники, которые расположены значительно выше горизонта (> 7,5 градусов).

Точность определения местоположения GPS, ГЛОНАСС и при их совместном использовании

Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.

В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.

Системы GPS и ГЛОНАСС

GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.

На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.

Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.

Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.

Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».

Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:

• американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
• разная высота и количество орбит;
• разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
• разный формат сигналов и рабочие частоты.

Преимущества системы GPS

• GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
• Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
• Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
• Множество устройств поддерживает систему.

Преимущества системы ГЛОНАСС

• Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
• Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
• ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.

Недостатки системы GPS

• Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
• Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
• Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.

Недостатки системы ГЛОНАСС

• Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
• Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
• Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
• Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.

Резюме

Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.

ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.