Глобальная навигационная система связи России - ГЛОНАСС

Спутники " ГЛОНАСС-М" в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года.

Спутники " ГЛОНАСС-К" с улучшенными характеристиками (увеличенным до 10 лет гарантийным сроком и с третьей частотой L-диапазона - для гражданских потребителей) должны быть запущены на орбиту в 2009 году. Этот спутник будет вдвое легче своего предшественника (~700, 0кг; 1415, 0кг - " ГЛОНАСС-М")

В дальнейшем, после развёртывания орбитальной группировки из 24-х спутников, для её поддержания потребуется осуществлять по одному групповому пуску в год двух навигационных спутников " ГЛОНАСС-К" на носителе " Союз-2", что существенно снизит эксплуатационные расходы.

Доступ к российской навигационной системе ГЛОНАСС будет предоставляться бесплатно и без ограничений как российским, так и иностранным потребителям.

Планируется постепенный перевод запусков спутников российской ГЛОНАСС с Байконура на космодром в Плесецке, что обеспечит независимость России по выводам на орбиту собственных космических аппаратов.

.

Сфера применения спутников ГЛОНАСС в войсках простирается от обеспечения отдельного военнослужащего информацией о его координатах до обеспечения целых войсковых подразделений навигационной информацией.

С вводом спутников ГЛОНАСС в необходимом количестве на борт ракеты-носителя устанавливается компактный блок, обеспечивающий высокоточные непрерывные траекторные измерения в ходе полета ракеты. Раньше применялся способ, требующий привлечения большого количества людей и средств, основанный на обеспечении контроля полета ракеты наземными пунктами траекторных измерений.

В настоящее время в Космических войсках РФ идут испытания наземной и переносной аппаратуры ГЛОНАСС, применение которой позволит использовать приемники ГЛОНАСС в любых погодных условиях, обеспечивая высокоточную привязку к координатам и времени, особенно на сильно пересеченной и гористой местности.

Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС должна обеспечивать установление точных координат любого владельца приемника, принимающего одновременно сигналы от трех спутников, находящихся на высоте ~19, 0 тысяч километров над поверхностью Земли. Система позволяет определять местонахождение объектов с точностью до 1, 0 метра на поверхности Земли и водной акватории.

Рынок навигационных услуг для физических лиц делится:

- персональную навигацию,

- автомобильную навигацию,

- охранно-поисковые услуги, в т. ч. - мониторинг места нахождения пожилых людей и инвалидов, осужденных, находящихся на испытательном сроке, а также поиск пропавших животных, имеющих на ошейнике приемники спутниковой навигации.

Корпоративный рынок включает в себя:

- системы управления парком транспортных средств,

- системы для геодезии и картографии,

- системы, использующие в своей основе устройства дифференцированной коррекции,

- системы для военных.

Два направления - спутниковая навигация и мобильная (сотовая) связь - в самом ближайшем будущем станут одним неразрывным целым.

Этот альянс скоро будет очень востребован.

Еще несколько лет назад нельзя было и предположить, что доходы телекоммуникационных компаний сетей сотовой связи по обслуживанию SMS-сообщений могут быть сопоставимы с доходами от услуг передачи речевых сообщений.

Спецслужбы после появления в магазинах мобильных станций (телефонов) со встроенным модулем навигации " ГЛОНАСС - GPS" получат техническую возможность с высокой точностью определять местонахождение человека практически в любое время и в любой точке Земли.

Ответ на озабоченность, высказываемую общественностью по контролю и защите прав человека на частную жизнь: каждый может воспользоваться своим правом - покупать или не покупать телефон с модулем навигации.

Первые MS со встроенными модулями навигации " ГЛОНАСС - GPS", предположительно появятся в продаже в 2012 году.

.

Одно из подразделений компании АФК " Система" - российская компания " Ситроникс" совместно с китайскими партнерами разработала мобильный телефон со встроенным модулем спутниковой навигации. Его стоимость будет сопоставима со стоимостью аналогичных зарубежных моделей, но, может быть, она будет и чуть выше, так как эти приемники способны принимать сигналы как с российских спутников ГЛОНАСС, так и с американских спутников GPS, что является важным преимуществом российского потребителя.

ГЛОНАСС к 2011г. будет сопоставима по точности определения местонахождения с GPS.
К 2011 году задача российских разработчиков - повышение точности работы системы ГЛОНАСС для гражданских пользователей до 1, 0 метра. Американская система GPS уже сейчас работает с такой точностью.

К 2011 году, после завершения ввода в строй новых спутников " ГЛОНАСС-К"

с 10-летним сроком эксплуатации, ГЛОНАСС будет по характеристикам полностью сопоставима с GPS, при этом наши приемники будут работать одновременно с двумя стандартами - ГЛОНАСС и GPS.

В 2008 году группировку ГЛОНАСС пополнят шесть спутников, а в 2009 году в группировку будет включено два усовершенствованных спутника " ГЛОНАСС-К", каждый со сроком работы 10 лет. Начиная с 2010 года, на орбиту будут запускаться только космические аппараты " ГЛОНАСС-К".

ГЛОНАСС так же важная деятельность в масштабах России, как и ядерное оружие или стратегические запасы энергоресурсов.

Проблемы ГЛОНАСС в России:

- недоступность услуг спутниковой навигации гражданам России,

- поддержание спутниковой группировки навигационной системы,

- отсутствие разветвленной системы образования пользователей ГЛОНАСС.

Первый спутник ГЛОНАСС был запущен в 1982 году. Система создавалась в интересах министерства обороны, но так и не была в полном объеме введена в строй.

Сегодня Россия начинает постепенно наращивать количество спутников ГЛОНАСС на орбите. Сейчас ГЛОНАСС включает в себя 18 спутников.

В 2009 году на орбите будет функционировать 24 спутника системы ГЛОНАСС, и тогда ее услугами можно будет воспользоваться в любой точке Земли.

Спутники серии " Глонасс-М" создаются в НПО прикладной механики

им. М. Решетнева. Их назначение: обеспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.

Основные характеристики спутника " Глонасс-М":
Срок активного функционирования - 7, 0 - 10, 0 лет
Погрешность ориентации на центр Земли - 0, 5град.
Погрешность ориентации на Солнце - 2, 0град.
Мощность системы электропитания - 1400, 0Вт
Площадь солнечных батарей - 30, 0кв.м.
Масса - 1415, 0кг
Масса полезной нагрузки - 260, 0кг
Потребляемая мощность полезной нагрузки - 650, 0Вт.

Еще несколько лет назад человек, идущий по лесу, мог потерять ориентацию на местности и попасть в беду. Школьные знания по методам ориентирования, например, по положению солнца на небе, мху на коре деревьев или складкам местности, не дают должного эффекта.

Появление в широкой продаже приемников сигналов GPS в корне изменило ситуацию. Устройство, внешне напоминающее мобильный телефон, в считанные секунды отображает на жидкокристаллическом дисплее координаты местонахождения мобильной станции MS пользователя на поверхности Земли. Более " продвинутые" и дорогие модели MS способны предоставить всю необходимую информацию на цветной электронной карте.

Жидкокристаллический дисплей заменяет атлас автомобильных дорог или карту города: теперь не придется, удерживая одной рукой руль автомобиля, водить пальцем другой руки по бумажной карте, чтобы понять, свое местонахождение. Яркая светящаяся точка на экране показывает в режиме реального времени

(On-line) в каком городе (поселке), по какой улице или, вблизи какого дома едет автомобиль.

Человек быстро привыкает к хорошему сервису, удобствам, повышающим его безопасность и свободу передвижения.

Спутниковая система навигации - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости, направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы ГЛОНАСС:

- Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, передающие специальные радиосигналы;

- Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения навигационных спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

- Приёмное клиентское оборудование (спутниковые навигаторы), используемое для определения координат;

- Информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы ГЛОНАСС

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до навигационных спутников, положение которых известно с большой точностью.

Таблица положений всех навигационных спутников называется альманахом. Альманахом должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник пользователя сохраняет альманах в памяти с момента последнего выключения и, если он не устарел, мгновенно использует его. Каждый навигационный спутник передаёт в своём сигнале весь альманах.

Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников ГЛОНАСС, с помощью обычных геометрических расчетов (автоматических), на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определения скорости распространения радиосигнала. Для измерения времени распространения радиосигнала, каждый спутник ГЛОНАСС излучает сигналы точного времени, в составе своего сигнала, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы.

При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты местонахождения объекта. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, можно вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.

Реально работа ГЛОНАСС происходит значительно сложнее.

Проблемы ГЛОНАСС и других навигационных систем:

- Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников.

Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с двух (двухмерная навигация при известной высоте) или трёх (трехмерная навигация) спутников. При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью.

- Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников.

- Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиосигналов может меняться.

- Отражения сигналов от плотных слоев атмосферы и наземных объектов.

- Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости.

В настоящее время готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

* NAVSTAR - принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами главным ее недостатком. Эта система более известна под названием GPS. Единственная работающая в полном объеме спутниковая навигационная система.

* ГЛОНАСС - находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия опыта коммерческого использования гражданскими организациями и населением России.

* Бэйдоу - развёртываемая в настоящее время в Китае система - GNSS глобальная система спутниковой навигации, предназначена для использования только в этой стране. Особенность - небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите (спутники ГЕО).

* Galileo (Галилео) - европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковая группировка.

Среднеорбитальные (MEO) спутниковые навигационные системы GPS.

С разработкой в 1960 году атомных часов стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков кодированных сигналов.

В 1973 году программы ВВС были объединены в общую технологическую программу " NAVSTAR - GPS ". Полностью система была развернута в 1995 году.

Сегодня в составе GPS - Global Positioning System - глобальной системы позиционирования (навигации) находится более 30 искусственных спутников Земли.

Около 100 компаний производят приемную аппаратуру, которая используется в самых различных отраслях человеческой деятельности: от авиации и транспорта до строительства и земледелия. Мировой рынок продаж продукции, связанной с навигационной системой GPS, составляет около $20 млрд.

Система GPS предназначена для высокоточного определения трех координат, составляющих векторы скорости и времени различных подвижных объектов.

США предоставляют систему GPS в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Космический сегмент образован орбитальной группировкой из 31 среднеорбитальных (MEO) спутника, которые находятся на шести круговых средних орбитах высотой около ~20, 0тыс. км над поверхностью Земли.

Период обращения космических аппаратов вокруг Земли ~ 12, 0час.

Испытания среднеорбитальной (MEO) российской навигационной системыГЛОНАССначались в октябре 1982 года запуском спутника " Космос 1413".

Российские спутники " ГЛОНАСС-М" имеют меньшее время ~ 7 лет функционирования на орбите, чем американские.

Для надежного определения местонахождения объектов необходимо минимум

18 спутников.

Основное назначение второго поколения ГЛОНАСС - любой объект (корабль, самолет, автомобиль или пешеход) в любом месте, в любой момент времени за несколько секунд определяет параметры движения - три координаты и три составляющие вектора скорости.

В ГЛОНАСС применяются среднеорбитальные спутники (МЕО) на круговых геоцентрических орбитах с высотой ~19100, 0км над поверхностью Земли.

Период обращения спутника вокруг Земли - 11 часов 15 минут (~12, 0час.). Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты атомных стандартов частоты, в системе обеспечивается взаимная синхронизация радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой.

Подвижный объект принимает сигналы не менее чем от четырех радиовидимых спутников и использует для измерения не менее четырех расстояний и четырех скоростей.

.

.

Результаты измерений от каждого спутника, позволяют определить три координаты и три составляющие вектора скорости, а также смещение шкалы времени объекта относительно шкалы времени спутника.

Точность определения координат объектов с помощью GPS и ГЛОНАСС примерно одинакова. Сигналы в системе GPS передаются на частоте 1227, 0мГц и 1575, 0мГц, а ГЛОНАСС - 1250, 0мГц и 1600, 0мГц и кодируются для организации так называемого " селективного (избирательного) доступа".

Оба сигнала используют два кода:

- Первый код в GPS называется " легко обнаруживаемый", а в ГЛОНАСС - " стандартной точности".

- Второй код в GPS называется " закрытый", а в ГЛОНАСС - " высокой точности" и предназначен для санкционированного использования.

Пытаясь сделать GPS безальтернативной спутниковой навигационной системой для пользователей всего мира, 1 мая 2000 года пресс-служба Белого дома опубликовала заявление о прекращении использования режима " доступа не для всех" к GPS, однако власти США сохранили за собой право избирательно восстанавливать закрытый режим на региональной основе.

Системы определения координат объектов с помощью GPS и ГЛОНАСС находятся в пределах 5, 0м - 40, 0м, системы измерения скорости: 0, 04 - 0, 2 узла, системы определения высоты: 8, 0м - 60, 0м. Для решения некоторых задач подобная точность не может считаться удовлетворительной, поэтому был внедрен дифференциальный режим функционирования среднеорбитальных (MEO) спутниковых систем навигации. Суть этого режима состоит в том, что погрешность определения места может быть уменьшена до десятков сантиметров путем оперативного измерения и излучения специальных поправок, автоматически принимаемых и учитываемых в аппаратуре потребителя. Измерять поправки целесообразно на стационарных объектах, а расстояние и время доведения их до потребителя не должны превышать 500, 0км и 20, 0 минут соответственно (из-за так называемого уровня пространственной и временнó й корреляции).

Такими стационарными объектами являются радиомаяки, расположенные на побережье морей и океанов. Начата установка подобной аппаратуры и в России.

Поправки к сигналам излучаются радиомаяком " Шепелевский", расположенным на берегу Финского залива. В результате появилась возможность осуществлять управление любым транспортным средством (от самолета и автомобиля до корабля) оператором системы, находящимся вне этого средства.

Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной спутниковой навигационной системы " Галилео", опирающейся на свои собственные спутники.

Предполагается, что навигационная система " Галилео" должна быть:

- независимой от системы GPS, но взаимодействующей с нею;

- управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный или частичный контроль над этой системой);

- более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы;

- рентабельной;

- открытой для участия других партнеров, в частности России (наше участие в проекте не подтверждено).

Запуск первого спутника " Галилео" состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы - в 2008 году.

Планируется, что " Галилео" будет передавать один общедоступный сигнал:

- OAS -Open Access Service - служба открытого доступа и один или два сигнала с контролируемым доступом:

- CAS - Controlled Access Service - служба контролируемого доступа.

Сигнал OAS эквивалентен GPS и должен обеспечивать точность порядка 10, 0м.

Эта информация останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS.

Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений.

В CAS, в свою очередь, возможны два уровня:

- Уровень CAS-1 будет открыт за плату всем желающим.

- Уровень CAS-2 будет доступен только ограниченному кругу потребителей. Предполагается, что система обеспечит определение места с точностью 3, 0 - 4, 0м.

Особенности основных систем спутниковой навигации NAVSTAR/GPS и ГЛОНАСС

Обе системы имеют двойное назначение - военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов:

- один - L1 - с пониженной точностью определения координат (~100, 0м) - для гражданского применения;

- другой - L2 - высокой точности (~10, 0м - 15, 0м и точнее) для ограниченного применения.

Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от Военного Ведомства США.

В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако, в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев, военный код может быть снова восстановлен.

Спутники NAVSTAR/GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно ~20180, 0км.

Спутники ГЛОНАСС находятся в трёх плоскостях на высоте примерно ~19100, 0км.

Номинальное количество спутников в обеих системах - 24.

Группировка NAVSTAR/GPS полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается. Группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в 1995 году, но в течение 10 лет практически не поддерживалась.

В настоящее время идёт её активное восстановление. Обе системы используют сигналы " псевдошумовых" последовательностей, применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при малой мощности излучения передатчиков.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты:

L1 - стандартной точности и L2 - высокой точности.

Для NAVSTAR/GPS: L1 = 1575, 42мГц и L2 = 1227, 6мГц.

Для ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно:

L1 = от 1602, 56мГц до 1615, 5мГц и L2 = от 1246, 43мГц до 1256, 53мГц.