Сравнение систем gps и глонасс. Gps vs глонасс: какая система лучше

На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.

Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.

Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.

На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.

В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.

GPS vs. ГЛОНАСС

В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.

В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.

Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.

Принцип работы GPS

Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).

Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.

Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.

Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.

Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.

Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.

Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.

Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.

Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.

Будущее спутниковой навигации

Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.

Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.

Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.

Долгое время созданная в США система глобального геопозиционирования GPS была единственной доступной рядовым пользователям. Но даже с учетом того, что точность гражданских приборов была изначально ниже по сравнению с военными аналогами, ее с головой хватало и для навигации, и для отслеживания координат автомобилей.

Однако еще в Советском Союзе была разработана собственная система определения координат, известная сегодня как ГЛОНАСС. Несмотря на сходный принцип работы (используется расчет временных интервалов между сигналами от спутников), ГЛОНАСС имеет серьезные практические отличия от GPS, обусловленные и условиями разработки, и практической реализацией.

• ГЛОНАСС отличается большей точностью в условиях северных регионов . Это объясняется тем, что значительные войсковые группировки СССР, а впоследствии и России, были расположены именно на севере страны. Поэтому и механика ГЛОНАСС рассчитывалась с учетом точности в таких условиях.
• Для бесперебойной работы системе ГЛОНАСС не требуются корректирующие станции . Для обеспечения точности GPS, спутники которой неподвижны относительно Земли, необходима цепочка геостационарных станций, отслеживающих неизбежные отклонения. В свою очередь, спутники ГЛОНАСС подвижны относительно Земли, поэтому проблема корректировки координат отсутствует изначально.

Для гражданского применения эта разница ощутима. Например, в Швеции еще 10 лет назад активно применялась именно ГЛОНАСС, несмотря на большое количество уже существовавшей аппаратуры под GPS. Немалая часть территории этой страны лежит на широтах российского Севера, и преимущества ГЛОНАСС в таких условиях очевидны: чем меньше склонение спутника к горизонту, тем при равной точности оценки временных интервалов между их сигналами (задаваемой аппаратурой навигатора) вернее можно рассчитать координаты и скорость движения.

Так что же лучше?

Достаточно оценить современный рынок телематических систем, чтобы получить правильный ответ на этот вопрос. Используя в навигационной или охранной системе подключение к спутникам GPS и ГЛОНАСС одновременно, можно добиться трех главных преимуществ.

• Высокая точность . Система, анализируя текущие данные, может выбрать наиболее верные из имеющихся. Например, на широте Москвы максимальную точность сейчас обеспечивает GPS, в то время как в Мурманске по этому параметру лидером станет ГЛОНАСС.
• Максимальная надежность . Обе системы работают на разных каналах, поэтому, столкнувшись с преднамеренным глушением или посторонним засорением помехами эфира в диапазоне GPS (как в более распространенном), система сохранит возможность геопозиционирования по сети ГЛОНАСС.
• Независимость . Так как и GPS, и ГЛОНАСС изначально являются военными системами, пользователь может столкнуться с лишением доступа к одной из сетей. Для этого разработчику достаточно ввести программные ограничения в реализацию протокола связи. Для российского потребителя ГЛОНАСС становится в какой-то мере резервным способом работы в случае недоступности GPS.

Именно поэтому системы «Цезарь Сателлит», предлагаемые нами, во всех модификациях используют именно двойное геопозиционирование, дополненное отслеживанием координат по базовым станциям сотовой связи.

Как работает действительно надежное геопозиционирование

Рассмотрим работу надежной системы отслеживания GPS/ГЛОНАСС на примере Cesar Tracker A.

Система находится в спящем режиме, не передавая данные в сотовую сеть и отключив приемники GPS и ГЛОНАСС. Это необходимо для максимально возможного сбережения ресурса встроенного аккумулятора, соответственно, обеспечения наибольшей автономности системы, защищающей Ваш автомобиль. В большинстве случаев аккумулятора хватает на 2 года работы. Если Вам нужно обнаружить местонахождение своего автомобиля, например при угоне, необходимо обратиться в центр безопасности «Цезарь Сателлит». Наши сотрудники переводят систему в активное состояние и получают данные о местонахождении авто.

Во время перехода в активный режим одновременно происходят три независимых процесса:

• Срабатывает приемник GPS, анализируя координаты по своей программе геопозиционирования. Если за заданный промежуток времени обнаружено менее трех спутников, то система считается недоступной. Аналогично происходит определение координат по ГЛОНАСС-каналу.
• Трекер сравнивает данные от обеих систем. Если в каждой было обнаружено достаточное количество спутников, трекер выбирает данные, которые считает более достоверными и точными. Это особенно актуально при активном радиоэлектронном противодействии - глушении или подмене сигнала GPS.
• GSM-модуль обрабатывает данные геопозиционирования по LBS (базовым станциям сотовой связи). Этот способ считается наименее точным и используется, только если и GPS, и ГЛОНАСС недоступны.

Таким образом, современная система отслеживания имеет тройную надежность, применяя три системы геопозиционирования отдельно. Но, естественно, максимальную точность обеспечивает именно поддержка GPS/ГЛОНАСС в конструкции трекера.

Применение в системах мониторинга

В отличие от маяков-закладок системы мониторинга, применяемые на коммерческом транспорте, осуществляют постоянное отслеживание местоположения автомобиля и его текущей скорости. При таком применении преимущества двойного геопозиционирования GPS/ГЛОНАСС раскрываются еще полнее. Дублирование систем позволяет:

• поддерживать мониторинг при кратковременных проблемах с приемом сигнала от GPS или ГЛОНАСС;
• сохранять высокую точность независимо от направления рейса. Применяя систему наподобие CS Logistic GLONASS PRO, можно уверенно осуществлять рейсы от Чукотки до Ростова-на-Дону, сохраняя полный контроль над транспортом на протяжении всего маршрута;
• защищать коммерческий транспорт от вскрытия и угона. Серверы «Цезарь Сателлит» в режиме реального времени получают информацию о времени и точном месте автомобиля;
• эффективно противодействовать угонщикам. Система сохраняет во внутренней памяти максимально возможный объем данных даже при полной недоступности канала связи с сервером. Информация начинает передаваться при малейшем прерывании глушения радиоэфира.

Выбирая систему GPS/ГЛОНАСС, Вы обеспечиваете себе наилучшие сервисные и охранные возможности в сравнении с системами, использующими только один из способов геопозиционирования.

Идея определять местонахождение предметов с помощью искусственных спутников Земли пришла в голову американцам еще в 1950-х годах. Однако подтолкнул ученых советский спутник.

Американский физик Ричард Кершнер понял, что, если знать координаты на земле, то можно узнать скорость советского космического аппарата. С этого и началось развертывание программы, которая впоследствии стала называться GPS – система глобального позиционирования. В 1974 году на орбиту выведен первый американский спутник. Первоначально этот проект предназначался для военных ведомств.

Как работает геопозиционирование

Рассмотрим особенности геопозиционирования на примере обычного трекера. До момента активации прибор находится в режиме ожидания, модуль GPS ГЛОНАСС выключен. Такая опция предусмотрена для сбережения заряда аккумулятора и увеличения периода автономной работы устройства.

Во время активации запускаются сразу три процесса:

• приемник GPS начинает анализировать координаты по встроенной программе. Если в этот момент обнаруживается три спутника, система считается недоступной. То же самое происходит и с ГЛОНАСС;
• если трекер (например, навигатор) поддерживает модули двух систем, то прибор анализирует сведения, полученные от обоих спутников. Затем считывает те сведения, которые считает достоверными;
• если в нужный момент сигналы обеих систем недоступны, то включается GSM. Но данные, полученные таким способом, будут неточными.

Поэтому, задаваясь вопросом: что выбрать – GPS или ГЛОНАСС, выбирайте оборудование с поддержкой двух спутниковых систем. Недостатки работы одной из них перекроет другая. Таким образом, приемнику доступны сигналы одновременно с 18-20 спутников. Это обеспечивает хороший уровень и стабильность сигнала, минимизирует погрешности.

Стоимость сервиса GPS и ГЛОНАСС-мониторинга

На окончательную стоимость оборудования влияют несколько факторов:

• страна-производитель;
• какие системы навигации используются;
• качество материалов и дополнительные функции;
• обслуживание ПО.

Самый бюджетный вариант – оборудование китайского производства. Цена начинается от 1000 руб. Однако качественного обслуживания не стоит ожидать. За такие деньги владелец получит ограниченный функционал и недолгий срок службы.

Следующий сегмент оборудования – европейские производители. Сумма стартует от 5000 руб., но взамен покупатель получает стабильное программное обеспечение и расширенные функции.

Российские производители предлагают вполне рентабельное оснащение за разумные деньги. Цены на отечественные трекеры начинаются с 2500 руб.

Отдельная статья расходов – абонентская плата и оплата дополнительных услуг. Ежемесячная плата для отечественных компаний – 400 руб. Европейские изготовители открывают добавочные опции за дополнительную “монету”.

Придется заплатить и за монтаж оборудования. В среднем, установка в сервисном центре обойдется в 1500 рублей.

Преимущества и недостатки ГЛОНАСС и GPS

Теперь рассмотрим плюсы и минусы каждой системы.

Сателлиты GPS почти не появляются в южном полушарии, в то время как ГЛОНАСС передает сигнал в Москву, Швецию и Норвегию. Четкость сигнала выше у американской системы благодаря 27 активным спутникам. Различие в погрешности “играет на руку” спутникам США. Для сравнения: неточность ГЛОНАСС – 2,8 м, у GPS – 1,8 м. Однако это усредненный показатель. Чистота вычислений зависит от положения спутников на орбите. В некоторых случаях аппараты выстраиваются так, что степень просчета увеличивается. Такая ситуация возникает у обеих систем.

Резюме

Так что же победит в сравнении GPS vs ГЛОНАСС? Строго говоря, гражданским пользователям неважно, какие спутники использует их навигационная техника. Обе системы бесплатны и находятся в открытом доступе. Разумным решением разработчиков станет взаимная интеграция систем. В таком случае в “поле зрения” трекера будет находиться необходимое количество аппаратов даже при неблагоприятных погодных условиях и помехах в виде высотных зданий.

GPS и ГЛОНАСС. Видео по теме

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 1

Е. Поваляев, С. Хуторной

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS. Часть 1

Предлагаем Вашему вниманию цикл статей, посвящённых спутниковым радионавигационным системам Глонасс (глобальная навигационная спутниковая система) и GPS (Global Positioning System). В первой статье цикла рассмотрены вопросы построения и функционирования систем, структура и функции аппаратуры потребителя (приемников), алгоритмы решения навигационной задачи и перспективы развития систем.

С давних времён путешественники задавались вопросом: как определить своё местоположение на Земле? Древние мореплаватели ориентировались по звёздам, указывающим направление движения: зная среднюю скорость и время в пути, можно было сориентироваться в пространстве и определить расстояние до конечного пункта назначения. Однако погодные условия не всегда были на руку исследователям, поэтому сбиться с курса не представляло особого труда. С появлением компаса задача существенно упростилась. Путешественник уже в меньшей мере зависел от погоды.

Эра радио открыла новые возможности перед человеком. С появлением радиолокационных станций, когда стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отражённому от его поверхности лучу радиолокатора, встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. В 1957 году в СССР группа учёных под руководством В.А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи - нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны . При движении по орбите спутник излучает сигнал определённой частоты, номинал которой известен на приёмной стороне (потребитель). Положение ИСЗ в каждый момент времени известно, точнее, его можно вычислить на основании информации, заложенной в сигнале спутника. Пользователь, измеряя частоту пришедшего к нему сигнала, сравнивает её с эталонной и таким образом вычисляет доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника. Измерения производятся непрерывно, что позволяет составить своего рода функцию изменения частоты Доплера. В определённый момент времени частота становится равной нулю, а затем меняет знак. В момент равенства нулю частоты Доплера потребитель находится на линии, которая является нормалью к вектору движения спутника. Используя зависимость крутизны кривой доплеровской частоты от расстояния между потребителем и ИСЗ и измерив момент времени, когда частота Доплера равна нулю, можно вычислить координаты потребителя.

Таким образом, искусственный спутник Земли становится радионавигационной опорной станцией, координаты которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря эфемеридной информации, заложенной в навигационном сигнале спутника.

В 1958–1959 гг. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А.Ф. Можайского, Институте теоретической астрономии АН СССР, Институте электромеханики АН СССР, двух морских НИИ и Горьковском НИРФИ проводились исследования по теме "Спутник", ставшие впоследствии основой для построения первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы "Цикада". И в 1963 году начались работы по построению этой системы. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник "Космос-192". Характерной чертой радионавигационных спутниковых систем первого поколения является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. В дальнейшем спутники системы "Цикада" были оборудованы приёмной аппаратурой обнаружения терпящих бедствия объектов.

Параллельно с этим, после успешного запуска СССР первого искусственного спутника земли, в США в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса проводятся работы, связанные с возможностью измерения параметров сигнала, излучаемого спутником. По измерениям вычисляются параметры движения спутника относительно наземного пункта наблюдения. Решение обратной задачи - дело времени.

На основе этих исследований в 1964 году в США создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения "Transit". Основное её назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Отцом системы считается директор Лаборатории прикладной физики Р. Кершнер. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. Так же, как и в системе "Цикада", в системе "Transit" координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли ~ 1100 км, период обращения спутников "Transit" равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это в свою очередь приведёт к ошибке определения координат ~ 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м.

Кроме того, в этих системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что системы низкоорбитны, время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа. Кроме того, время между прохождением различных спутников зоны видимости потребителя зависит от географической широты, на которой он находится, и может составить величину от 35 до 90 минут. Уменьшение этого интервала путём наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и той же частоте.

Следовательно, спутниковые навигационные системы второго поколения обладают рядом существенных недостатков. В первую очередь - недостаточная точность определения координат динамичных объектов. К недостатку можно отнести также отсутствие непрерывности в измерениях.

Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов (шкал времени) спутников с необ-ходимой точностью. Рассогласование опорных генераторов спутников на 10 нс приводит к ошибке в определении координат потребителя 10–15 м . Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики при создании высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ. Аппаратура приёмника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя.

Для этих целей в 1967 году ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 году - спутника TIMATION-II. На борту этих спутников использовались кварцевые генераторы. В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 году две программы были объединены в одну общую под названием "Navstar-GPS" . К 1996 году развёртывание системы было завершено. В данный момент доступно 28 активных спутников.

В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника "Космос-1413" . Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам - ПО "Полёт" (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определён Российский институт радионавигации и времени .

Сетевая радионавигационная спутниковая система (СРНСС) Глонасс

Система Глонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей структуре Глонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами) (рис. 1).

Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем Глонасс и GPS

• космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);
• сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
• аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции - навигационных определений, - система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км (рис. 2). Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника - 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечных батарей. Общая масса спутника - 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят: бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.

Рисунок 2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS

Рисунок 3. Сегмент наземного комплекса управления системы Глонасс

Рисунок 4. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

• эфемеридное и частотно-временное обеспечение;
• мониторинг радионавигационного поля;
• радиотелеметрический мониторинг НКА;
• командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10-14. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3–5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Сетевая радионавигационная спутниковая система GPS

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Её основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

• по космическому сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
• по сегменту управления - IBM, Federal System Company;
• по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division .

Как и система Глонасс, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.

Как было сказано выше, орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые сказывались на их характеристиках в целом. В табл. 1 приведены краткие характеристики космических аппаратов, используемых в системе.

Таблица 1. Характеристики космических аппаратов, используемых в системе GPS

Таблица 2. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS

При проектировании системы в целом и НКА в частности, большое внимание уделяется вопросам автономного функционирования. Так, космические аппараты первого поколения (Блок-I) обеспечивали нормальную работу системы (имеется в виду, без существенных ошибок определения координат) без вмешательства сегмента управления в течение 3–4 дней. В аппаратах Блок-II этот срок был увеличен до 14 дней. В новой модификации НКА Блок-IIR позволяет автономно работать в течение 180 дней без корректировки параметров орбиты с земли, пользуясь лишь автономным комплексом взаимной син-хронизации спутников. Аппараты Блок-IIF предполагается использовать взамен отработавших Блок-IIR.

Структура навигационных радиосигналов системы Глонасс

В системе Глонасс используется частотное разделение сигналов (FDMA), излучаемых каждым спутником - двух фазоманипулированных сигналов. Частота первого сигнала лежит в диапазоне L1 ~ 1600 МГц, а частота второго - в диапазоне L2 ~ 1250 МГц. Номинальные значения рабочих частот радиосигналов, передаваемых в диапазонах L1 и L2, определяются выражением:

f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)

где k = 0,1,...,24 - номера литеров (каналов) рабочих частот спутников;

f 1 = 1602 МГц; D f 1 = 9/16 = 0,5625 МГц;
f 2 = 1246 МГц; D f 2 = 7/16 = 0,4375 МГц.

Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в диапазоне L1 и L2 когерентны и формируются от одного эталона частоты. Отношение рабочих частот несущей каждого спутника:

D f k1 /D f k2 = 7/9.

Номинальное значение частоты бортового генератора, с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, равно 5,0 MГц.

В диапазоне L1 каждый спутник системы Глонасс излучает 2 несущие на одной и той же частоте, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90º (рис. 5).

Рисунок 5. Векторная диаграмма несущих сигналов систем ГЛОНАСС и GPS

Одна из несущих подвергается фазовой манипуляции на 180º. Модулирующий сигнал получают сложением по модулю 2 трёх двоичных сигналов (рис. 6):

• грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511 Кбит/с (рис. 6в);
• последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с (рис. 6а);
• меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с (рис. 6б).

Рисунок 6. Структура сигнала ГЛОНАСС

Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура не раскрывается.

Состав и структура навигационных сообщений спутников системы Глонасс

Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) - Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.

Навигационные сообщения спутников системы Глонасс необходимы потребителям для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация относится к спутнику, из сигнала которого она была получена. К оперативной информации относят:

• оцифровку меток времени;
• относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения;
• эфемеридная информация.

Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения спутника.

Неоперативная информация содержит альманах, включающий:

• данные о состоянии всех спутников системы;
• сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы;
• параметры орбит всех спутников системы;
• поправку к шкале времени системы Глонасс.

Выбор оптимального "созвездия" КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частоты обеспечивается за счёт анализа альманаха системы.

Навигационные сообщения спутников системы Глонасс структурированы в виде суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с. Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительности строки последние 0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит 85 символов цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.

В составе каждого кадра передаётся полный объём оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах содержится во всём суперкадре. При этом информация суперкадра, содержащаяся в строках 1–4, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.

Структура навигационных радиосигналов системы GPS

В системе GPS используется кодовое разделение сигналов (СDMA), поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго - L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несущей частоты L1 модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных, формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте L1 передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р или засекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/A (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.

Радиосигнал на частоте L2 бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.

Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.

Состав и структура навигационных сообщений спутников системы GPS

Структурное деление навигационной информации спутников системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку времени, соответствующую началу/окончанию очередного 6-с интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.

В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурации и состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения, параметры, описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.

Алгоритмы приема и измерения параметров спутниковых радионавигационных сигналов

К сегменту потребителей систем GPS и ГЛОНАСС относятся приёмники сигналов спутников. По измерениям параметров этих сигналов решается навигационная задача. Приёмник можно разделить на три функциональные части:

• радиочастотную часть;
• цифровой~коррелятор;
• процессор.

С выхода антенно-фидерного устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотную часть (рис. 7). Основная задача этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровом преобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части приёмника поступает тактовая частота для цифровой части приёмника. С выхода радиочастотной части цифровые отсчёты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.

Рисунок 7. Обобщённая структура приёмника

В корреляторе спектр сигнала переносится на "нулевую" частоту. Это производится путём перемножения входного сигнала коррелятора с опорным гармоническим колебанием в синфазном и квадратурном каналах. Далее результат перемножения проходит корреляционную обработку путём перемножения с опорным дальномерным кодом и накоплением на периоде дальномерного кода. В итоге получаем корреляционные интегралы I и Q. Отсчёты корреляционных интегралов поступают в процессор для дальнейшей обработки и замыкания петель ФАП (фазовая автоподстройка) и ССЗ (схема слежения за задержкой). Измерения параметров сигнала в приёмнике производятся не непосредственно по входному сигналу, а по его точной копии, формируемой системами ФАП и ССЗ. Корреляционные интегралы I и Q позволяют оценить степень "похожести" (коррелированности) опорного и входного сигналов. Задача коррелятора, помимо формирования интегралов I и Q, - формировать опорный сигнал, согласно с управляющими воздействиями (кодами управления), поступающими с процессора. Кроме того, в некоторых приёмниках коррелятор формирует необходимые измерения опорных сигналов и передаёт их в процессор для дальнейшей обработки. В то же время, так как опорные сигналы в корреляторе формируются по управляющим кодам, поступающим с процессора, то необходимые измерения опорных сигналов можно производить непосредственно в процессоре, обрабатывая соответствующим образом управляющие коды, что и делается во многих современных приёмниках.

Какие параметры сигнала измеряет коррелятор (процессор)?

Дальность при радиотехнических измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта измерения до измерительного пункта. В навигационных системах GPS/ГЛОНАСС излучение сигналов синхронизировано со шкалой времени системы, точнее, со шкалой времени спутника, излучающего данный сигнал. В то же время, потребитель имеет информацию о расхождении шкалы времени спутника и системы. Цифровая информация, передаваемая со спутника, позволяет установить момент излучения некоторого фрагмента сигнала (метки времени) спутником в системном времени. Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника. Шкала времени приёмника (потребителя) формируется с помощью кварцевых стандартов частоты, поэтому наблюдается постоянный "уход" шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. Разность между моментом приёма фрагмента сигнала, отсчитанным по шкале времени приёмника, и моментом излучения его спутником, отсчитанным по шкале спутника, умноженная на скорость света, называется псевдодальностью . Почему псевдодальностью? Потому что она отличается от истинной дальности на величину, равную произведению скорости света на "уход" шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При решении навигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатами потребителя (приёмника).

Корреляционные интегралы, формируемые в корреляторе, позволяют отследить модуляцию сигнала спутника символами информации и вычислить метку времени во входном сигнале. Метки времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуют своеобразную 6(2)-секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалы периоды дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, в свою очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяют определить дальность до спутника с погрешностью ~ 300 м. Для более точного определения необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемы построения опорных генераторов коррелятора позволяют определять его фазу с точностью до 0,01 периода, что составляет точность определения псевдодальности 3 м.

На основании измерений параметров опорного гармонического колебания, формируемого системой ФАП, определяют частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уход относительно номинального значения даст доплеровское смещение частоты, по которому оценивается скорость потребителя относительно спутника. Кроме того, фазовые измерения несущей позволяют уточнить дальность до спутника с погрешностью в несколько мм.

Для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени.

Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.

Параметры аппроксимирующей мо-дели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта КА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.

В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника.

В системе Глонасс для определения точного положения спутника используются дифференциальные модели движения. В этих моделях координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются численным интегрированием дифференциальных уравнений движения КА, учитывающих конечное число сил, действующих на КА. Начальные условия интегрирования задаются на узловой момент времени, располагающийся посередине интервала аппроксимации.

Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностью около 1 м. Для удобства рассмотрим простейший "плоский" случай, представленный на рис. 8.

Рисунок 8. Определение координат потребителя

Каждый спутник (рис. 8) можно представить в виде точечного излучателя. В этом случае фронт электромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух сфер будет та, в которой находится потребитель.

Высота орбит спутников составляет порядок 20000 км. Следовательно, вторую точку пересечения окружностей можно отбросить из-за априорных сведений, так как она находится далеко в космосе.

Дифференциальный режим

Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10–15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений.

Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приёмника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.

Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя.

Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приёмнику) причинами. По экспериментальным данным, опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта.

В настоящее время существуют множество широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем.

В качестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Эти системы используют геостационарные спутники для передачи поправок всем потребителям, находящимся в зоне их покрытия.

Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судоходных реках, в портах и по берегу морей и океанов. Диаметр рабочей зоны региональной системы обычно составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в своём составе одну или несколько опорных станций.

Локальные системы имеют максимальный радиус действия от 50 до 220 км. Они включают обычно одну базовую станцию. Локальные системы обычно разделяют по способу их применения: морские, авиационные и геодезические локальные дифференциальные станции.

Развитие спутниковой навигации

Общее направление модернизации обоих спутниковых систем GPS и Глонасс связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.

Совершенствование системы ГЛОНАСС планируется осуществлять на базе спутников нового поколения "ГЛОНАСС-М". Этот спутник будет обладать увеличенным ресурсом службы и станет излучать навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских применений.

Аналогичное решение было принято в США, где 5 января 1999 года объявлено о выделении 400 млн. долл. на модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7 МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА, которые будут запускаться с 2005 года. Сигнал на частоте L2 намечено использовать для гражданских нужд, не связанных непосредственно с опасностью для жизни людей. Предлагается начать реализацию этого решения с 2003 года. Третий гражданский сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.

Литература

1. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.
2. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.
3. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
4. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.
5. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995.
6. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.

Что лучше: ГЛОНАСС, GPS или Galileo?

В современном мире, где нормальное функционирование отдельных отраслей напрямую зависит от качества поставляемых услуг в области навигационных спутниковых систем, вопрос отнюдь не праздный.
На сегодняшний день существует несколько спутниковых навигационных систем, предназначенных для определения местоположения и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

С точки зрения доступности и применения интерес представляют четыре системы: российская ГЛОНАСС, американская NAVSTAR GPS, европейская система Galileo и китайская система BeiDou/Compass.
Системы ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS полностью введены в эксплуатацию и являются глобальными.

Рис. 1. Существующие средства навигационно-временного обеспечения.

На различных этапах ввода в эксплуатацию находятся системы Galileo и BeiDou/Compass, которые в перспективе также обеспечат глобальный сервис.

Рис. 2. Перспективные средства навигационно-временного обеспечения.

Состав навигационных систем.
Любая спутниковая навигационная система состоит из трех основных сегментов:

• Космический сегмент или орбитальная группировка;
• Наземный сегмент ;
• Пользовательский сегмент.

Орбитальная группировка системы ГЛОНАСС представлена 30 космическими аппаратами из которых по состоянию на 29/06-2014 23 находятся в системе, 2 в резерве. Оставшиеся спутники на этапе ввода в эксплуатацию или техническом обслуживании. Космические аппараты вращаются на круговых орбитах в трех орбитальных плоскостях на высоте 19100 км. Число спутников в каждой орбитальной плоскости – 8.

В состав орбитальной группировки системы NAVSTAR GPS входят 32 космических аппарата, вращающихся на круговых орбитах в 6 орбитальных плоскостях на высоте 20183 км. Число спутников в каждой орбитальной плоскости 4.

Орбитальную группировку системы Galileo составят 30 спутников (27 операционных и 3 резервных). Полностью развернуть орбитальную группировку планируется в 2016 году, когда выведут на орбиту все 30 спутников (27 операционных и 3 резервных). Орбитальная группировка системы GALILEO будет располагаться в трех плоскостях, наклоненных к экватору под углом 56 градусов на высоте 23224 км., по 9 спутников в каждой орбитальной плоскости.

Орбитальная группировка системы Beidou/Compass , будет состоять из 36 КА, 5 КА будут находиться на геостационарной орбите; 5 КА на наклонной геосинхронной орбите; 24 КА на средней околоземной орбите. Остальные спутники, возможно, составят орбитальный резерв. Такое размещение орбитальной группировки обеспечит системе круглосуточный глобальный охват поверхности Земли.

Наибольший интерес представляют системы ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS.

По точности измерения обе системы примерно равны. Согласно данным системы дифференциальной коррекции и мониторинга на 30 июня 2014 г. точность обеих систем составляет 5-7 м. Американская система имеет более развитую сеть станций, передающих поправки для дифференциального режима. Эти станции, расположенные на территории США, Канады, Японии, КНР, ЕС и Индии, позволяют снизить погрешность на территории этих стран до 1-2 м.

В то же время Российские станции дифференциальной коррекции расположены в основном на территории РФ.
Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России, одну станцию в Антарктиде и одну в Бразилии. Развитие системы предусматривает развёртывание восьми дополнительных станций на территории России и нескольких станций за рубежом (дополнительные станции будут размещены в таких странах, как Куба, Иран, Вьетнам, Испания, Индонезия, Никарагуа, Австралия, две в Бразилии, и ещё одна дополнительная будет размещена в Антарктиде).

Несомненным преимуществом отечественной системы является более высокая точность в приполярных областях Земли за счет более высокого наклонения орбит.

По сообщению Reuters, сотрудники шведской компании Swepos, обслуживающей общенациональную сеть спутниковых навигационных станций, признали преимущество российской системы навигации ГЛОНАСС над американской GPS.

По словам Бо Йонссона, замглавы подразделения геодезических исследований, ГЛОНАСС обеспечивает более точное позиционирование в северных широтах: «она (Глонасс) работает немного лучше в северных широтах, потому что орбиты её спутников расположены выше, и мы видим их лучше, чем спутники GPS». Йонссон сообщил, что 90 % клиентов его компании используют Глонасс в комбинации с GPS. Нужно отметить, что здесь господин Йонссон не совсем точен. Речь, скорее всего, идет не о высоте орбит, орбиты спутников GPS несколько выше чем у ГЛОНАСС, а о наклоне орбитальных плоскостей: 64,80 у системы ГЛОНАСС против 550 у системы GPS.

И все же наилучшая точность определения местоположения достигается при использовании устройств, позволяющих принимать сигналы как от системы ГЛОНАСС, так и от системы GPS.
Дело в том, что для точного определения координат нужно четыре спутника той или иной системы. Однако в большинстве случаев такое определение дает достаточно низкую точность: ее сложно использовать в условиях городской застройки для решения определенных задач.
С ростом числа наблюдаемых спутников точность растет. Обычно наблюдается 6-9 спутников системы GPS. Если мы работаем на закрытой местности: в горах, в лесу, особенно в городском ландшафте, когда мы фактически ходим в джунглях, то количество спутников, которые мы видим, может очень сильно уменьшаться - или геометрия их расположения может становиться неэффективной.
Например, спутники могут выстраиваться в одну линию вдоль улицы. В этом случае, общее количество спутников, которые мы можем наблюдать, является очень важным аспектом: чем их больше, тем выше качество в столь стесненных условиях. Так по данным все той же системы дифференциальной коррекции и мониторинга на 30 июня 2014 г. точность навигационных определений при совместном использовании ГЛОНАСС и GPS возрастает до 3-5 м.

На ниже приведенных диаграммах представлена доступность систем ГЛОНАСС и GPS по данным системы дифференциальной коррекции и мониторинга на 30 июня 2014 г.
Здесь PDOP - снижение точности по местоположению.

Рис. 3. Доступность ГНСС ГЛОНАСС.

Рис.4. Доступность ГНСС GPS.

Рис.5. Доступность ГНСС ГЛОНАСС + GPS.

Планируется увеличение точности обеих систем.

К 2015 году точность системы ГЛОНАСС доведут до 1,4 м, к 2020 году – 0,6 м с последующим увеличением этого показателя до 10 см. Система GPS, после вывода на орбиту спутников нового поколения, обеспечит своим пользователям точность 0,6-0,9 м. При использовании дифференциального режима, уже сегодня вполне возможна точность 0,1 м.
Система Galileo, как ожидается, обеспечит точность 30 см в низких широтах при одновременном приеме сигнала от 8-10 спутников. За счет более высокой, чем у спутников GPS орбиты, на широте полярного круга будет обеспечена точность 1 м.
О точности системы Beidou/Compass сегодня говорить пока рано, в виду того что система развернута не полностью. Однако, 8 мая 2014 года система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что её точность составляет менее 1 м. По заявлению академика АН Китая Ян Юаньси точность спутниковой системы БЕЙДОУ при работе в дифференциальном режиме превосходит аналогичные показатели системы GPS.

В вопросе надежности систем и подержания космической группировки пальма первенства на текущий момент за американской системой GPS. Важным отличием системы ГЛОНАСС от системы GPS заключается в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им бóльшую стабильность.

Про опасности.

2 апреля 2014 года произошел крупный сбой в работе системы ГЛОНАСС. В течение почти 11 часов все 24 спутника системы выдавали некорректные данные, т.е. система оказалась неработоспособной. Работоспособность системы восстановили, в причинах разбираются. Вопрос, возможно ли повторение подобных ситуаций, остается открытым.
Но не все гладко в вопросах поддержания необходимого количества космических аппаратов в составе орбитальной группировки и у GPS.

В 2009 году Главное бюджетно-контрольное управление США (GAO) выпустило отчет о будущем системы GPS, в котором выражена озабоченность тем, что орбитальная группировка может оказаться неспособной обеспечивать должные эксплуатационные качества в период с 2010 по 2018 год (System Design & Test newsletter, May 2009, GPS World, May 27, 2009). Брэд Паркинсон, первый директор отдела реализации программы GPS, главный архитектор и защитник GPS, заявил: "Возможно, что в группировке окажется менее 24 спутников".

Нужна ли России собственная система спутниковой навигации? Однозначно нужна. Без использования современных навигационных технологий трудно будет обеспечить конкурентоспособность национальной экономики.

Нельзя также игнорировать тот факт, что система GPS, впрочем, как и российская ГЛОНАСС, контролируется военными ведомствами. Поэтому ставить российскую экономику в зависимость от американской GPS, с учетом возможностей режима селективного доступа и преднамеренного "загрубления" или искажения сигнала над определенной географической территорией, а также существующих техногенных, экономических и других рисков, как минимум, недальновидно. Особенно в условиях действия экономических санкций, направленных в первую очередь на ослабление позиции России на международной экономической арене, и нового витка «холодного» противостояния России и блока НАТО.

Из-за опасений, что системы ГЛОНАСС могут быть использованы в военных целях, госдепартамент США отказал Роскосмосу в выдаче разрешений на строительство на американской территории нескольких российских измерительных станций. В ответ на запрет с 1 июня 2014 года приостановлена работа на территории РФ станций для системы GPS. А уже с 1 сентября работа этих станций может быть прекращена. Отключение наземных станций отразится только на сверхточном позиционировании, которое не используется в гражданских целях.
Тем не менее, случай довольно показательный. Что касается Galileo, то система являет собой яркий пример не очень успешной попытки создания глобальной навигационной спутниковой системы с привлечением на коммерческой основе частного капитала, то есть смешивания функций государства и бизнеса. Это уже привело к задержке создания европейской системы Galileo на несколько лет.

По оценкам специалистов, система Galileo может заработать в полном объеме после 2014 года. Для пользователей системы (за исключением авиации, торгового флота, правительственных и военных организаций, спецслужб, спасательно-поисковых служб) будет доступна открытая и коммерческая службы. Открытая служба обеспечит пользователей бесплатным сигналом с точностью на уровне современных систем. Гарантии его получения предоставляться не будут.
Благодаря достигнутым компромиссам с правительством США применяемый формат данных, используемый также в сигналах модернизированной GPS, позволит взаимодополнять системы GPS и Galileo. Коммерческая служба будет предоставлять кодированный сигнал, позволяющий получить повышенную точность позиционирования. Права на использование сигнала планируется перепродавать через провайдеров. Предполагается гибкая система оплаты в зависимости от времени использования и вида абонента. Очевидно, что пользователям системы Galileo в сферах, где требуется высокая точность позиционирования, придется нести дополнительные расходы за услуги пользования системой.
Система Beidou/Compass находится в коммерческой эксплуатации с декабря 2012 г. Система будет обеспечивать пользователей данными о позиции, скорости и точном времени. Данные будут предоставляться по открытым каналам. Помимо отраслевых возможностей использования системы, разработчики анонсировали также возможность обмена текстовыми сообщениями между абонентами системы.
Персональные пользователи системы смогут воспользоваться сервисом по предоставлению информации о ближайших отелях, ресторанах, парковках, культурных объектах путем отправки текстовых сообщений местным поставщикам услуг. Поставщики услуг немедленно найдут необходимую информацию, основываясь на местоположении пользователя, и затем, отправят электронную карту, например, в телефон пользователя. Пользователь также сможет получить услуги с добавленной стоимостью, такие как заказ номера в отеле, столика в ресторане или заказ парковочного места.

Хотя работы по совместимости систем Beidou/Compass и ГЛОНАСС начались в 2014 г., пока неизвестно будет ли доступен полный функционал системы Вeidou/Compass российским пользователям.

Рис. 6. Зона покрытия системы Beidou на текущий момент.

Таким образом, сегодня в мире существует две действительно глобальных системы спутниковой навигации: ГЛОНАСС и GPS.

Однозначного ответа на вопрос какая система все-таки лучше, на сегодняшний день дать не сможет никто.

Что использовать: российскую систему ГЛОНАСС, поддержав отечественного производителя, или использовать систему GPS рискуя быть отключенным от системы в самый неподходящий момент? Очевидны преимущества использования аппаратуры, поддерживающей как ГЛОНАСС так и GPS, ведь с позиции рядового потребителя, чем с большим количеством глобальных спутниковых навигационных систем способна работать его аппаратура, тем лучше с точки зрения доступности и качества услуги навигационного определения.

Уже сегодня на рынке можно найти двух- или трехсистемную аппаратуру, которая помимо GPS и ГЛОНАСС сможет работать с сигналами Galileo. Если будут успешно развернуты орбитальные группировки Galileo и Compass, то не заставит себя ждать и ГЛОНАСС/GPS/Galileo/Compass-аппаратура потребителя. Выбор остаётся за вами.

Алексей Афанасов