Спутниковые системы gps и глонасс. Система глонасс что это и как работает. Недостатки системы GPS

Система ГЛОНАСС является крупнейшим навигационным комплексом, который позволяет отслеживать местоположение различных объектов. Проект, запущенный в 1982 г., по сей день активно развивается и совершенствуется. Причем работа ведется как над техническим обеспечением ГЛОНАСС, так и над инфраструктурой, позволяющей использовать систему все большему количеству людей. Так, если первые годы существования комплекса навигация посредством спутников использовалась преимущественно в решении военных задач, то сегодня ГЛОНАСС - это технологичный инструмент позиционирования, который стал обязательным в жизнедеятельности миллионов гражданских пользователей.

Глобальные системы спутниковой навигации

Ввиду технологической сложности глобального спутникового позиционирования на сегодняшний день полностью соответствовать этому названию могут лишь две системы - ГЛОНАСС и GPS. Первая является российской, а вторая - плодом американских разработчиков. С технической точки зрения ГЛОНАСС - это комплекс специализированного аппаратного оснащения, расположенного и на орбите, и на земле.

Для связи со спутниками используются специальные датчики и приемники, считывающие сигналы и формирующие на их основе данные о местоположении. Для расчета временных параметров применяются специальные Они служат для определения положения объекта с учетом трансляции и обработки радиоволн. Сокращение погрешностей позволяет обеспечивать более достоверный расчет параметров позиционирования.

Функции спутниковой навигации

В спектр задач глобальных систем спутниковой навигации входит определение точного местоположения наземных объектов. Помимо географического положения, глобальные навигационные спутниковые системы позволяют учитывать время, путь следования, скорость и другие параметры. Реализуются эти задачи посредством спутников, находящихся в разных точках над земной поверхностью.

Применение глобальной навигации используется не только в транспортной отрасли. Спутники помогают в поисково-спасательных операциях, выполнении геодезических и строительных работ, а также без них не обходится координация и обслуживание других космических станций и аппаратов. Военная отрасль также не остается без поддержки системы подобных целей обеспечивает защищенный сигнал, предназначенный специально для авторизованной аппаратуры Министерства обороны.

Система ГЛОНАСС

Полноценную работу система начала лишь в 2010 г., хотя попытки ввести комплекс в активную работу предпринимались с 1995 г. Во многом проблемы были связаны с низкой долговечностью используемых спутников.

На данный момент ГЛОНАСС - это 24 спутника, которые работают в разных точках орбиты. В целом навигационную инфраструктуру можно представить тремя компонентами: управляющий комплекс (обеспечивает контроль группировки на орбите), а также навигационные технические средства пользователей.

24 спутника, каждый из которых имеет свою постоянную высоту, распределены на несколько категорий. На каждое полушарие приходится по 12 спутников. Посредством спутниковых орбит над поверхностью земли формируется сетка, за счет сигналов которой определяются точные координаты. Помимо этого, спутниковый ГЛОНАСС имеет и несколько резервных объектов. Они также находятся каждый на своей орбите и не бездействуют. В круг их задач входит расширение покрытия над конкретным регионом и замена выходящих из строя спутников.

Система GPS

Американский аналог ГЛОНАСС - это система GPS, которая начинала свою работу также в 1980-е, но только с 2000 года точность определения координат сделал возможным ее широкое распространение среди потребителей. На сегодняшний день спутники gps гарантируют точность до 2-3 м. Задержка в развитии возможностей навигации долгое время была обусловлена ограничениями позиционирования искусственного характера. Тем не менее их снятие позволило с максимальной точностью определять координаты. Даже при условии синхронизации с миниатюрными приемниками достигается результат, соответствующий ГЛОНАСС.

Отличия между ГЛОНАСС и GPS

Между навигационными системами выделяется несколько отличий. В частности, есть разница в характере расстановки и движении спутников на орбитах. В комплексе ГЛОНАСС они движутся по трем плоскостям (по восемь спутников на каждую), а в системе GPS предусматривается работа в шести плоскостях (примерно по четыре на плоскость). Таким образом, российская система обеспечивает более широкий охват наземной территории, что отражается и в более высокой точности. Однако на практике краткосрочная «жизнь» отечественных спутников не позволяет использовать весь потенциал системы ГЛОНАСС. GPS, в свою очередь, поддерживает высокую точность за счет избыточного количества спутников. Тем не менее российский комплекс регулярно вводит новые спутники, как для целевого использования так и в качестве резервной поддержки.

Также применяются разные методы кодирования сигнала - американцы используют код CDMA, а в ГЛОНАСС - FDMA. При расчете приемниками данных для позиционирования российская спутниковая система предусматривает более сложную модель. В результате для использования ГЛОНАСС необходимо высокое потребление энергии, что отражается в габаритах устройств.

Что позволяют возможности ГЛОНАСС?

Среди базовых задач системы — определение координат объекта, способного взаимодействовать ГЛОНАСС. GPS в этом смысле выполняет схожие задачи. В частности, рассчитываются параметры движения наземных, морских и воздушных объектов. За несколько секунд транспортное средство, обеспеченное соответствующим навигатором может вычислить характеристики собственного движения.

При этом использование глобальной навигации уже стало обязательным для отдельных категорий транспорта. Если в 2000-х распространение спутникового позиционирования относилось к контролю определенных стратегических объектов, то сегодня приемниками снабжаются морские и авиационные суда, общественный транспорт и т. д. В скором будущем не исключено и обязательное обеспечение ГЛОНАСС-навигаторами всех частных автомобилей.

Какие устройства работают с ГЛОНАСС

Система способна обеспечивать непрерывное глобальное обслуживание всех без исключения категорий потребителей независимо от климатических, территориальных и временных условий. Как и услуги системы GPS, ГЛОНАСС навигатор предоставляется бесплатно и в любой точке планеты.

Среди устройств, которые имеют возможность приема спутниковых сигналов, значатся не только бортовые навигационные средства и GPS-приемники, но также и сотовые телефоны. Данные о местоположении, направлении и скорости движения отправляются на специальный сервер по сетям GSM-операторов. В использовании возможностей спутниковой навигации помогает специальная программа ГЛОНАСС и различные приложения, которые занимаются обработкой карт.

Комбинированные приемники

Территориальное расширение спутниковой навигации обусловило сращивание двух систем с точки зрения потребителя. На практике устройства ГЛОНАСС нередко дополняются GPS и наоборот, что повышает точность позиционирования и временных параметров. Технически это реализуется посредством двух датчиков, интегрированных в один навигатор. На основе этой идеи и производятся совмещенные приемники, работающие одновременно с системами ГЛОНАСС, GPS и сопутствующей аппаратурой.

Кроме повышения точности определения такой симбиоз делает возможным отслеживание местоположения, когда спутники одной из систем не улавливаются. Минимальное количество орбитальных объектов, «видимость» которых требуется для работы навигатора, составляет три единицы. Так, если, например, программа ГЛОНАСС становится недоступной, то на помощь придут спутники gps.

Другие системы спутниковой навигации

Разработкой проектов, схожих по масштабам с ГЛОНАСС и GPS, занимается Европейский союз, а также Индия и Китай. планирует реализовать систему Galileo, состоящую из 30 спутников, что позволит добиться непревзойденной точности. В Индии планируется запуск системы IRNSS, работающей посредством семи спутников. Навигационный комплекс ориентируется на внутригосударственное использование. Система Compass от китайских разработчиков должна состоять из двух сегментов. Первый будет включать 5 спутников, а второй - 30. Соответственно, авторы проекта предполагают два формата обслуживания.

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!

) 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

Наименование	Значение
Время первого определения навигационных параметров, с, не более:
— «горячий» старт	5
— «теплый» старт	35
— «холодный» старт	40
Время восстановления слежения за сигналами рабочего созвездия НКА после потери слежения при времени потери, с, не более:
— до 120 с	5
— до 10 мин	10
Темп определения навигационных параметров, Гц	1—10
Погрешность формирования секундной метки времени относительно единого времени UTC, мкс, не более	0,1
Точность определения географических координат с вероятностью 0,95, м, не более:
— по системе ГЛОНАСС	20
— по системе GPS	15
— по системам ГЛОНАСС/GPS	15
— в дифференциальном режиме	3

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

Параметры		ГЛОНАСС
Число спутников	24	24
Число орбитальных плоскостей	6	3
Орбитальный наклон, градусов	55	65,8
Орбитальный радиус, км	26,560	25,510
Период, часы:минуты	11:58	11:16
Сигналы, МГц	L1: 1575,42; L2: 1227,60	L1: (1602 + 0,5625n), L2: (1246 + 0,4375n), n = 1,2, …, 24
Частота кодирования, МГц	C/A 1,023; P 10,23	C/A 0,511; P 5,11
Система координат	WGS84	SGS85
Время	UTC (USNO)	UTC (SU)
Спецификация Точности (95%):
Горизонтальная точность, метров	100	100
Вертикальная точность, метров	140	150

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

	Горизонтальная ошибка		Ошибка по высоте
GPS (без SA)	7	18	34
GPS (c SA)	27	72	135
ГЛОНАСС	10	26	45
ГЛОНАСС+GPS	9	20	38

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.

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

Тип НКА	Масса на орбите	Мощность энергоисточников, Вт	Расчётный срок активного существования	Год запуска первого НКА
Блок-I	525	440	-	1978
Блок-II	844	710	5	1989
Блок-IIR	1094	1250	7,5	1997
Блок-IIF	-	-	14–15	2001–2002

Таблица 2. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS

Показатель	ГЛОНАСС	GPS
Число КА в полной орбитальной группировке	24	24
Число орбитальных плоскостей	3	6
Число КА в каждой плоскости	8	4
Наклонение орбиты	64,8º	55º
Высота орбиты, км	19 130	20 180
Период обращения спутника	11 ч. 15 мин. 44 с	11 ч. 58 мин. 00 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84
Масса навигационного КА, кг	1450	1055
Мощность солнечных батарей, Вт	1250	450
Срок активного существования, лет	3	7,5
Средства вывода КА на орбиту	"Протон-К/ДМ"	Delta 2
Число КА, выводимых за один запуск	3	1
Космодром	Байконур (Казахстан)	Мыс Канаверел (Cape Canaveral)
Эталонное время	UTC (SU)	UTC (NO)
Метод доступа	FDMA	CDMA
Несущая частота: L1 L2	1598,0625-1604,25 7/9 L1	1575,42 60/77 L1
Поляризация	Правосторонняя	Правосторонняя
Тип псевдошумовой последовательности	m-последовательность	код Голда
Число элементов кода: C/A P	511 51 1000	1023 2,35x1014
Скорость кодирования, Мбит/с: C/A P	0,511 5,11	1,023 10,23
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ	-48	-21,6
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/с	50	50
Вид модуляции	BPSK (Манчестер)	BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин.	2,5 (5 кадров)	12,5 (25 кадров)
Длина кадра, с	30 (15 строк)	30 (5 строк)
Длина строки, с	2	6

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.