ГЛОНАСС

Глоба́льная навигацио́нная спу́тниковая систе́ма (ГЛОНАСС) — российская спутниковая система навигации, используется для оперативного навигационно-временного обеспечения множественного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. ГЛОНАСС — единственная система в мире, которая предоставляет доступ к гражданскому сигналу глобального позиционирования в двух частотных диапазонах L1 и L2 потребителям по всему миру на безвозмездной основе.

Главной организацией по развитию и использованию системы ГЛОНАСС является АО «Российские космические системы». Главная организация по космическому комплексу ГЛОНАСС — АО «Информационные спутниковые системы» имени академика Михаила Решетнёва". Оператором государственной автоматизированной информационной системы «ЭРА-ГЛОНАСС» является АО «ГЛОНАСС». Федеральным сетевым оператором в сфере навигационной деятельности является НП «ГЛОНАСС».

Подсистема контроля и управления (ПКУ) состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования космических аппаратов, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

История

Первые спутники

Серьёзные усилия по разработке отечественной навигационной спутниковой системы начались в середине 1960-х годов. 27 ноября 1967 года состоялся запуск первого навигационного спутника под названием «Космос-192», который обеспечивал определение координат с ошибкой в 250—300 метров.

В 1979 году была введена в эксплуатацию первая навигационная система «Цикада», состоящая из четырёх спутников. Она позволяла осуществлять определение координат каждые 1,5-2 часа, время сеанса составляло до шести минут. С улучшением характеристик спутников погрешность была снижена до 80-100 метров. Позже к спутникам «Цикада» добавили оборудование для поиска объектов в бедственном положении, снабженных радио буями. Их сигналы принимались спутниками и передавались на специальные наземные станции для вычисления точных координат. Спутники «Цикада», дооборудованные для обнаружения бедствующих, вошли в систему «Коспас», которая в партнерстве с системой «Сарсат» образовала общую службу спасения «Коспас-Сарсат», спасшую множество жизней. КНС «Цикада» (и её модификация «Цикада-М») была предназначена для военных нужд с 1976 года, но после 2008 года переходила на ГЛОНАСС, что означало завершение их эксплуатации из-за ограничений в обслуживании потребностей большого числа операторов в низкоорбитальных системах.

Эффективное использование низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими пользователями вызвало значительный интерес к спутниковой навигации в целом. Возникла необходимость разработки универсальной навигационной системы, способной отвечать потребностям различных пользователей: авиации, морского транспорта, наземных средств передвижения и космических аппаратов. На этом этапе была выбрана архитектура спутниковой системы, которая позволяет пользователю, находящемуся в любой части планеты, одновременно видеть не менее четырёх спутников при минимальном общем количестве в системе. Это требование ограничило высоту орбиты спутников до 20 тысяч километров. Чтобы обеспечить гарантированную видимость не менее четырёх спутников, общее количество спутников в системе должно составлять 18. Оно было увеличено до 24 для повышения точности определения местоположения и скорости пользователя, предоставляя ему возможность выбирать из видимых спутников ту четверку, которая обеспечивает наивысшую точность.

ОГ ГЛОНАСС

В результате многочисленных исследований, проведённых отечественными специалистами, была выбрана основная орбитальная группа (ОГ) ГЛОНАСС, состоящая из 24 спутников, расположенных на средневысотных околомесячных орбитах с высотой 19 100 км, углом наклона 64,8° и орбитальным периодом 11 ч 15 мин 44 с. Установленная продолжительность орбиты позволила создать надежную орбитальную систему, которая, в отличие от спутников GPS, практически не требует корректирующих импульсов в течение всего срока своего функционирования. Заданное значение угла наклона гарантирует полное покрытие навигационных услуг на территории Российской Федерации, даже если из орбитальной группы окажется выведено несколько космических аппаратов.

При этом были решены две проблемы создания высокоорбитальной навигационной системы. Первая — взаимная синхронизация спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд). Эта проблема была решена за счет установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 10-13 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 10-14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3…5 нс. Второй проблемой является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Данная проблема была решена в результате проведения научных работ по учёту факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение её полюсов и т.п.

Спутниковая радионавигационная система

В 1972 году началась работа над созданием системы, которая впоследствии получила название ГЛОНАСС. Спутниковая радионавигационная система (СРНС) ГЛОНАСС создавалась при участии большого количества организаций, ядро которых составили предприятия, разрабатывавшие СНС первого поколения: Красноярское ОКБ прикладной механики, Московский НИИ приборостроения, ЛНИРТИ. В 1976 году вышло постановление Правительства СССР по разработке эскизного проекта системы ГЛОНАСС.

Были намечены три основных этапа создания СРНС ГЛОНАСС:

• Первый этап (1981 год) — создание экспериментальной системы из 4-6 спутников, способной обеспечить периодическую (в течение 2-4 ч в сутки) навигацию с территории СССР. Ожидаемая точность на этом этапе должна была составлять 50-100 м по координатам и 5-10 см/с по составляющим скорости.
• Второй этап (1984 год) предусматривал развёртывание системы до 9-12 спутников, что обеспечивало бы навигацию в течение 70 % времени с точностью 20-60 м по координатам и 3-5 см/с — по скорости. Неполное развёртывание системы было вызвано задержкой в создании парка навигационной аппаратуры потребителей, который на этом этапе был ещё слишком незначителен (развертывание штатной системы из 24 спутников при небольшом количестве потребителей экономически не оправдано).
• Третий этап — развёртывание штатной системы из 24 спутников.

Летные испытания отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника «Космос-1413». В 1983 году состоялся запуск ещё двух космических аппаратов.

Федеральная целевая программа

В 2005 году на орбиту был выведен новый спутник системы ГЛОНАСС, а также два спутника модификации ГЛОНАСС-М, обладающие увеличенным сроком службы. В период с 2005 по 2008 год было выведено 12 космических аппаратов, что привело к тому, что к концу 2008 года общее количество спутников достигло 20. 25 августа 2008 года премьер-министр Российской Федерации Владимир Путин утвердил изменения к постановлению № 365 «Об оснащении космических транспортных средств, а также инструментов для геодезических и кадастровых работ аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС^РБ».

12 сентября 2008 года Путин подписал постановление о увеличении финансирования программы ГЛОНАСС на 67 миллиардов рублей. На день ранее правительство окончательно одобрило законопроект «О навигационной деятельности в Российской Федерации», который, среди прочего, должен будет регулировать использование системы ГЛОНАСС. Вице-премьер Сергей Иванов объяснил необходимость этого документа, подчеркнув, что на данный момент «навигационная деятельность в России не имеет законодательного регулирования».

Спутники нового формата «Глонасс-К»

26 февраля 2011 года на орбиту успешно запущен первый спутник 3-го поколения ГЛОНАСС-К, обладающий повышенными характеристиками по точности, время активного существования которого увеличено до 10 лет. В 2011 году планировалось осуществить полное развертывание орбитальной группировки ГЛОНАСС и запустить на орбиту ещё 5 спутников. С 2012 года система ГЛОНАСС развивается в рамках федеральных целевых программ, которые предусматривают:

• поддержание системы ГЛОНАСС с гарантированными характеристиками навигационного поля на конкурентоспособном уровне;
• развитие системы ГЛОНАСС в направлении улучшения её тактико-технических характеристик с целью достижения её паритета с иностранными системами навигационного обеспечения, лидирующих позиций Российской Федерации в области спутниковой навигации;
• обеспечение использования системы ГЛОНАСС, как на территории Российской Федерации, так и за рубежом.

Навигация

Навигационные сигналы

Каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает фазоманипулированные навигационные радиосигналы в диапазоне L1 (1602 МГц) и L2 (1246 МГц). В радиолинии частотного диапазона L1 спутники системы ГЛОНАСС излучают навигационные радиосигналы двух типов: стандартной и высокой точности (СТ- и ВТ-сигнал, соответственно). Сигнал стандартной точности предназначен для использования гражданскими потребителями, и предоставляемое им обслуживание доступно всем владельцам аппаратуры потребителей ГЛОНАСС. Сигнал высокой точности модулирован специальным кодом и не рекомендован к использованию без согласования с Министерством обороны Российской Федерации.

В радиолинии диапазона L2 в настоящее время передается только ВТ-сигнал, поэтому гражданские потребители не могут использовать метод двухчастотной компенсации ионосферной погрешности. В системе ГЛОНАСС номинальное значение рабочих частот радиосигналов навигационных спутников (НС): f^ = f0i + kAf, где i = 1, 2 — номер диапазона частот; к = 0,24 — номер частотного канала (литер); /01 = 1602 МГц; /02 = 1246 МГц; Д/01 = 562,5 кГц; Д/02 = 437,5 кГц. Канал к = 0 не предназначен для использования потребителями системы ГЛОНАСС. Он применяется наземной подсистемой управления для проверки резервных спутников на орбите при восполнении орбитальной группировки. Сведения о распределении частотных каналов к = 1,24 между спутниками, расположенными в орбитальных рабочих точках с номерами т = 1,24, содержатся в альманахе системы.

Навигационный радиосигнал, который передаёт каждое навигационное спутниковое устройство, представляет собой сложный сигнал с фазовой манипуляцией. Для достижения высокой точности измерений задержки распространения сигнала, излучаемый сигнал подвергается модуляции с использованием кода дальномера стандартной точности (СТ-кода), который является периодической последовательностью максимальной длины. В пределах диапазона L1, частота формирования кода дальномера составляет /ст = 511 кГц, а период повторения Гпк. установлен на уровне 1 мс..

Для передачи навигационной (служебной) информации используется модуляция двоичной последовательностью (кодом служебной информации (СИ-код)) с тактовой частотой /ей = 50 Гц. СИ-код представляет собой преобразованную цифровую последовательность навигационных данных, передаваемых аппаратурой НС потребителям системы ГЛОНАСС. Дальномерный СТ-код представляет собой М-последовательность. Это сравнительно короткая псевдослучайная последовательность (ПСП) (длина Ь = 511 элементов) обеспечивает быстрый поиск дальномерного сигнала и приемлемую точность измерения дальности до НС с соответствующей неоднозначностью.

Код метки времени представляет собой укороченную ПСП. Длина ПСП МВ равна тридцати символам с длительностью 10 мс каждый. Метка позволяет осуществлять строчную синхронизацию, а также устранять неоднозначность дальномерных измерений.

FDMA-сигналы

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 = f₁ + kDf₁ f_k2 = f₂ + kDf₂ k = 0,1,…,24, (1)

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

f₁ = 1602 МГц; Df₁ = 9/16 = 0,5625 МГц; f₂ = 1246 МГц; Df₂ = 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:

Df_k1/Df_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.

CDMA-сигналы

Спутник ГЛОНАСС-К2 создан с целью улучшения качества услуг для пользователей системы ГЛОНАСС. Передаёт новые сигналы с кодовым разделением каналов (CDMA) в диапазонах L1, L2 и также в L3. Первый спутник в рамках этой серии был успешно выведен на орбиту 7 августа и начал передачу новых CDMA сигналов. Для оценки транслируемых сигналов и изучения частотных и энергетических характеристик спутника применяется радиотелескоп Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

Радиотелескоп оборудован поворотной антенной с большим диаметром аппарата в 7,75 метров. Это позволяет добиться ширины основного лепестка диаграммы направленности антенны при частоте 1,6 ГГц, равной 1,8°, а также усиливает принимаемые навигационные сигналы на 40 дБ.

Формат навигационного сообщения

Формат навигационного сообщения ГЛОНАСС представляет собой передачу потока цифровых данных, закодированных по методу Хемминга и преобразованных в относительный формат. Данные подаются в виде непрерывных строк, каждая из которых длится 2 секунды. В первой части строки, на протяжении 1,7 секунды, осуществляется передача навигационной информации, а во второй части, которая длится 0,3 секунды, передается двоичный код метки времени.

Сигнал L1OC

Сигнал L1OC излучается на несущей частоте (номинальное значение) и содержит информационную L1OCd и пилотную L1OCp компоненты равной мощности, которые уплотняются путём чередования чипов дальномерных кодов этих компонент. Сигнал L1OC квадратурно уплотняется с сигналом L1SC и занимает квадратуру Q(фаза L1OC опережает фазу L1SC на 90º).

fL1=1565• f b= 313•5,115 МГц=1600,995 МГц

Модулирующая последовательность символов П_L1OCd сигнала L1OCd формируется путём суммирования по модулю 2 символов дальномерного кода ДК_L1OCd, генерируемых с тактовой частотой f_Т1/2 = 0,5115 МГц, символов оверлейного кода ОК1 и символов свёрточного кода (СК) длительности 4 мс (250 симв/с). Модулирующая последовательность символов П_L1OCp сигнала L1OCp формируется путём суммирования по модулю 2 символов дальномерного кода ДК_L1OCp, генерируемых с тактовой частотой f_Т1/2 = 0,5115 МГц и меандровой последовательности (МП) с тактовой частотой 2∙f_Т1 = 2,046 МГц. МП представляет собой периодическую последовательность 0101, синхронизованную с символами ДК_L1OCp и передаваемую старшими разрядами вперед (первым по времени символом МП на длительности символа ДК_L1OCp является 0). МП предназначена для формирования спектра вида BOC для компоненты L1OCp.

Сигнал L3OC

Первый спутниковый блок ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-К1) начнёт передачу нового гражданского сигнала, который получил обозначение L3 и имеет центральную частоту 1202,025 МГц. В отличие от уже действующих сигналов ГЛОНАСС, L3 использует технологию CDMA, что значительно упростит интеграцию с другими глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС). В настоящее время сигналы типа L3OC передаются с использованием 47 спутников.

Структура

Система ГЛОНАСС в расширенной конфигурации включает в себя следующие составные части:

• Космический комплекс системы ГЛОНАСС, состоящий из ОГ, средств выведения, наземного комплекса управления;
• ФД, включая широкозонную систему ФД ГНСС — СДКМ, а также региональные и локальные системы мониторинга и дифференциальной навигации;
• Система высокоточной апостериорной ЭВИ;
• Средства фундаментального обеспечения ГЛОНАСС — системы оперативного определения параметров вращения и ориентации Земли, системы формирования государственной шкалы всемирного скоординированного времени, геодезической основы РФ;
• НАП.

Модернизация

Некоторые планы модернизации системы ГЛОНАСС:

• С 2025 года предполагается запуск модернизированных спутников «Глонасс-К2» в импортозамещённом и многофункциональном варианте. Локальные зоны навигации должны будут получать в 100 раз более мощный сигнал по сравнению со стандартным.
• После 2030 года планируется создание 6 высокоорбитальных спутников на трёх геосинхронных орбитах, которые повысят доступность сигнала в условиях городов и сложных рельефов на территории России.
• Прорабатывается вопрос о создании низкоорбитальной группировки из 300 спутников, которые будут летать на высоте от 500 до 100 километров над Землёй. Предполагается, что они увеличат мощность сигнала в тысячу раз.

Технические средства

Специализированные определители координат

Специализированные устройства, определяющие координаты с использованием системы ГЛОНАСС, включают навигационные приемники и системы обработки данных. Эти устройства предназначены для приёма навигационных сигналов от космических аппаратов и вычисления своих координат, скорости и времени. Например, спутниковый приёмник SIGMA и программное обеспечение GIODIS компании JAVAD могут применяться для определения координат геодезического пункта на основе спутниковых измерений ГЛОНАСС. Эти инструменты обеспечивают корректный приём и обработку данных ГЛОНАСС.

Навигаторы

Мобильный Навигационный Терминал (МНТ-001) для спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС/GPS устанавливается на автомобиль и работает в автоматическом режиме, передаёт полную информацию о своём состоянии: координаты и скорость, состояние контрольных датчиков, установленных на системах и агрегатах автомобиля, видео изображения из кабины, а также аналитическую (статистическую) информацию по передвижению объекта. Разработанный ФГУП НИИМА «ПРОГРЕСС» мобильный навигационный терминал (МНТ)-001 (рис. 1.) обладает рядом интересных особенностей.

В МНТ-001 используется совмещённая трехдиапазонная ГЛОНАСС/GPS/GSM антенна компании АНТЕННА — XXI. Управление МНТ-001 осуществляется в среде ОС Windows XP из Центра Оперативного Мониторинга (ЦОМ). До конца 2008 г. модельный ряд МНТ-001 будут составлять уже пять моделей: устройства серий МНТ-001-2 до МНТ-001-4 (отличаются только дизайном корпуса и разъемов) и МНТ-001-5 (с SIM5210, которая дает возможность работать в сотовых сетях 3G). Новинки МНТ-001-M, которые появились в 2009 году — это модели серии M, с новыми ГЛОНАСС/GPS приёмниками ГАЛС-002 (меньший размер) и возможностью работы в сетях 3G. К МНТ-001-М будет прилагаться аккумуляторная батарея.

Навигаторы-системы предупреждения об авариях

ЭРА-ГЛОНАСС представляет собой первую в мире государственную систему, обеспечивающую безопасность на автомобильных дорогах с использованием современных технологий, таких как спутниковая навигация, беспроводная связь, микроэлектроника и достижения в автомобилестроении. Данная система автоматически активируется при серьёзных авариях, если срабатывает подушка безопасности или датчики фиксируют сильную перегрузку. Информация об инциденте мгновенно отправляется в контактные центры, где операторы связываются с водителем для уточнения ситуации, после чего данные передаются в систему 112. Эта система обеспечивает координацию действий таких служб, как МВД, МЧС и скорой помощи. Передача сигнала по установленным стандартам занимает не более 20 секунд. На разработку данной системы было потрачено от 3,5 до 4 миллиардов рублей.

В июле текущего года президент Российской Федерации Владимир Путин принял ключевые решения, касающиеся реализации проекта ЭРА-ГЛОНАСС. Эта система станет основой для национальной навигационно-информационной инфраструктуры в сфере транспортного комплекса и будет способствовать развитию внутреннего рынка технологий, связанных с ГЛОНАСС. Путин не раз подчеркивал важность выделения финансовых средств для поддержки функционирования системы ЭРА-ГЛОНАСС в период 2015-2016 годов.

Трекеры местоположения

ГЛОНАСС GPS трекер (контроллер, маяк) — прибор предназначенный для приёма, обработки и передачи информации в системах спутникового мониторинга автомобилей, людей и других объектов. В данном оборудовании используются технологии GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС для точного определения координат местонахождения объекта и скорости его движения.

Трекер оснащён приёмником ГЛОНАСС и/или GPS, а также GSM-модулем для передачи данных. В настоящее время мы применяем устройства и маячки, которые одновременно работают с двумя модулями — GPS и ГЛОНАСС. Это обеспечивает высокую точность определения координат транспортных средств. С помощью приёмника ГЛОНАСС/GPS устройство получает свои географические координаты, а используя GSM-передатчик, отправляет эту информацию через интернет-канал GPRS на сервер, который управляется специальным программным обеспечением для спутникового мониторинга. Перед отправкой данные могут быть обработаны непосредственно в трекере в соответствии с заложенными в нём алгоритмами и формулами.

Доступность

Доступность рассчитывается на основе текущего альманаха для суточного интервала как процент времени, в течение которого выполняется условие PDOP≤6 при углах места КА ≥ 5 градусов, где PDOP — позиционный (трехмерный) геометрический фактор. Дискретность расчета: по времени — 4 минуты и по поверхности — 1 градус.

Увеличение точности

Для увеличения точности системы ГЛОНАСС используются следующие подходы:

• Программное обеспечение Центрального научно-исследовательского института машиностроения (ЦНИИмаш) госкорпорации «Роскосмос». С его помощью можно в два раза улучшить точность определения координат по данным космического сегмента системы. Для этого обрабатываются данные сети беззапросных измерительных станций.
• Увеличение частоты обновления частотно-временной информации, закладываемой на борт космических аппаратов системы ГЛОНАСС.
• Использование лазерно-оптических бортовых систем. По данным лазерно-оптических систем, на всех космических аппаратах системы ГЛОНАСС нового поколения можно получать измерения с субнаносекундной точностью определения расхождения шкал времени.
• Разработка новых наземных станций. Беззапросные измерительные станции помогают корректировать положение спутников на орбите.

Наземный сегмент

Наземный сегмент состоит из космодрома, командно-измерительного комплекса и центра управления. Космодром играет ключевую роль в выведении спутников на необходимые орбиты в процессе начальной настройки навигационной системы, а также в регулярном обновлении спутников по мере их выхода из эксплуатации или истощения ресурса. Основными элементами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция отвечает за прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку топливом и последующую стыковку. Задачи стартового комплекса включают: транспортировку носителя с навигационным спутником к стартовой площадке, установку на пусковую систему, проведение предполетных испытаний, заправку носителя, а также наведение и запуск.

Командно-измерительный комплекс предназначен для обеспечения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для выполнения навигационных операций, а также для их мониторинга и управления как космическими аппаратами. Центр управления, связанный с космодромом и командно-измерительным комплексом посредством информационных и управляющих радиолиний, обеспечивает координацию работы всех компонентов спутниковой навигационной системы.

Спутники

Орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, 16 из которых обеспечивают навигацию и точное определение местоположения в реальном времени, пока оставшиеся 8 — в резерве. Благодаря расположению на орбите, покрывающей всю земную поверхность, GLONASS может обеспечивать навигацию по всему миру без ограничений.

Станции, составляющие основу системы ГЛОНАСС, в режиме реального времени адаптируют характеристики спутников и их орбиты, обеспечивая точность и надежность навигационной системы. Число станций ГЛОНАСС варьируется в зависимости от региона, где требуется обеспечить навигационный сигнал. В настоящее время в России функционирует свыше 2000 таких станций. Кроме того, базы ГЛОНАСС имеются и в ряде стран ближнего и дальнего зарубежья, например, в Беларуси, Казахстане, Киргизии, Индии, Бразилии, Чили и других. Количество базовых станций может изменяться в зависимости от развития технологий и запросов пользователей.

Отличия GPS от ГЛОНАСС

Как GPS, так и ГЛОНАСС изначально разрабатывались для военных нужд. Однако в США запрет на ограничение точности для гражданских приложений был снят на семь лет раньше, чем в случае с ГЛОНАСС. Это решение способствовало быстрому развитию американской системы. В остальном принципы функционирования систем глобального позиционирования остаются схожими; на низкую околоземную орбиту запускается определённое количество спутников, которые передают сигналы, позволяя принимающим устройствам определять местоположение объектов. Считается, что для полноценной работы системы достаточно как минимум 24 спутника.