Спутниковые технологии сбора данных для ГИС. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС

Система электроснабжения включает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей – 1600 Вт, площадь – 17.5 м2.

При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей. Их разрядная емкость составляет 70 ампер-часов.

Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.

Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций [5,C.85]:

• излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;  

• прием, хранение и передача цифровой навигационной информации;  

• формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;  

• ретрансляция или излучение сигналов для проведения траекторных измерений для контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;  

• прием и обработка разовых команд;  

• прием, запоминание и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите;  

• формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;  

• прием и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;  

• формирование и передача "признака неисправности" при выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме.

• Принцип работы системы ГЛОНАСС

 

Выделяют три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия космических аппаратов (КА) и аппаратуры пользователей (АП).

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранную об орбитах информацию обрабатывают и прогнозируют координаты спутников (эфемериды). Эти и другие данные с наземных станций загружают на борт каждого спутника.

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1.6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1.2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

• горизонтальных координат с точностью 50–70 м (вероятность 99.7%);  
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99.7%); 
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99.7%); 
• точного времени с точностью 0.7 мкс (вероятность 99.7 %).

Эти показатели точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Сигнал ВТ предназначен в основном для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям до сих пор находится в стадии рассмотрения [11].

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. Основу подсистемы аппаратуры пользователей (АП) составляет спутниковый приемник. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Приемник принимает радиоволны, передаваемые спутником, и сравнивает их с электрическими колебаниями, выработанными в самом приемнике. В результате получают время распространения радиоволны, а затем и дальность от приемника до космического аппарата. Дальности определяют двумя методами: кодовым (стандартная точность) и фазовым(наиболееточныеизмерения).  
Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумным усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал. Устройство использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время, при этом используется известный метод наименьших квадратов, а затем формирует отчет. Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт. Навигационные устройства могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат. Точность определения координат зависит от числа видимых КА. Все современные спутниковые приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. При измерениях проблемой является срыв сигналов на трассах распространения радиоволн из-за таких препятствий, как рельеф, покрытые листвой деревья, здания и другие сооружения. Чем больше каналов, тем легче преодолеть эти трудности и найти необходимое количество видимых спутников [14].

• Точность и доступность навигации «ГЛОНАСС»

 

На сегодняшний день точность определения координат системы ГЛОНАСС несколько уступает показателям американской системы спутниковой навигации GPS.

Согласно данным СДКМна июль 2011 года погрешности навигационных определений навигационной системы ГЛОНАСС (при p=0,95) по широте и долготе составляли 4,45-7,37 м при использовании 7-8 спутников, в зависимости от точки приема. В сравнении, на тот момент ошибки GPS составляли 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11 спутников, в зависимости от точки приема.

При использовании совместно двух навигационных систем погрешности составляют 2,36-4,64 м при использовании 14-19 спутников, в зависимости от точки приема.

Согласно заявлению главы Роскосмоса Анатолия Перминова, на тот момент принимались меры по увеличению точности спутникового сигнала. К 2010 году точность системы ГЛОНАСС должна была быть улучшена до 5,5 метров, а к 2011 году до 2,8 метров. Среди названных мер по улучшению спутникового сигнала с космоса были затронуты следующие:

Пополнение группировки спутников на орбите;

Улучшение точности эфемерид;

Усовершенствование потребительских устройств;

Постепенная замена устаревших спутников более совершенными «Глонасс-М» и «Глонасс-К»[8].

На конец 2011 года система ГЛОНАСС определяла местонахождение объекта с точностью до 4,5 м, но уже в начале 2012 года точность была увеличена с 4,5 метров до 2,5-2,8 метров. После перевода в готовое рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч», точность спутникового сигнала отечественной ГЛОНАСС возрастет до одного метра, в сравнении с прошлыми годами, когда система определяла местонахождение объекта с точностью только до 50м.

Год назад Россия начала работы по размещению станций мониторинга и системы дифференциальной коррекции с целью повышения надежности и точностиработы российской навигационной системы за рубежом. Первая такая зарубежная станция уже построена в Антарктиде под названием «Беллинсгаузен». Теперь обеспечены необходимые условия для непрерывного общего глобального мониторинга навигационных полей космических спутников ГЛОНАСС. Число функционирующих наземных станций дифференциальной коррекции насчитывает 14 станций по всей России и одну станцию в Антарктиде. Дальнейшее развитие системы предусматривает развертывание еще восьми дополнительных станций на территории России, а также пяти станций в зарубежных странах, таких как: Куба, Вьетнам, Австралия, Бразилия и еще одна дополнительная в Антарктиде.

При этом использование как американской, так и российской навигационных систем сегодня дает существенный прирост точности сигнала. Европейский проект, под аббревиатурой EGNOS, использующий сигналы двух систем, даёт точность определения местонахождения на европейской территории до 1.5-3 метров[15].

Информационно-аналитический центр ГЛОНАСС на собственном сайте публикует официальные сведения о доступности спутниковых навигационных услуг в форме карт интегральной и мгновенной доступности, а также позволяет вычислить зоны видимости для определенной даты и места. Апостериорный и оперативный мониторинг систем ГЛОНАСС и GPS также осуществляется Российской системой дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ).

На февраль 2010 года количество видимых над российским горизонтом спутников ГЛОНАСС было равно в среднем 6-8 КА. Как показывает карта интегральной доступности, хорошая точность определения координат (PDOP ≤ 6) осуществлялась для Российской Федерации практически в течение всего дня (более точно, для 95 % времени в течение дня, а для южных районов страны иногда бывает 92 %). В некоторых местах земного шара «хорошая» и лучше точность определения координат (PDOP ≤ 6) могла осуществляться только на протяжении примерно 80 % времени суток, а в самых далеких точках и в течение 70 %[11].

После мониторинга, проведенного 29 марта 2010 года, было выявлено, что количество видимых спутников ГЛОНАСС над Россией, как правило, было равно 7-8 КА. Согласно показателям карты интегральной доступности от 30 марта 2010 года, точность определения местонахождения уровня «хорошая» и лучше (PDOP ≤ 6) осуществляется для РФ практически в течение 24 часов беспрерывно, а именно, для 99% времени дня для всей страны, кроме Владивостока, где показатель равен 95%. В других же районах Земли «хорошая» и лучше точность координатного определения (PDOP ≤ 6) может быть осуществима только в течение 92 % времени суток, а в отдаленных точках и в течение 80 %.

При использовании совместно ГЛОНАСС/GPS приемника точность определения координат почти всегда имеет оценку «отлично», так как присутствует большое количество видимых КА и в связи с их хорошим взаимным расположением.

Не так давно сотрудники шведской космической компании Swepos, которая обслуживает общенациональную сеть навигационных спутниковых станций, сообщили о преимуществе российской системы навигации ГЛОНАСС над американской GPS, как сообщает Reuters. По словам Бойонссона, замглавы подразделения геодезических исследований Swepos, российская спутниковая система обеспечивает лучшую точность позиционирования координат в северных широтах. Также он добавил, что в связи с тем, что орбиты спутников ГЛОНАСС расположены выше, чем спутники GPS, их можно быстрее и четче увидеть. Исходя и этого, около 90% клиентов шведской компании предпочитают ГЛОНАСС в сочетании с GPS.

Постановление правительства РФ от сентября 2011 года об обязательном использовании модулей ГЛОНАСС/GPS в пассажирских транспортных средствах сделало отечественный продукт ещё более популярным[10].

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстаёт от аналогичных показателей для GPS. Согласно данным СДКМ  (Система дифференциальной коррекции и мониторинга) на 18 сентября 2012 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p = 0,95) по долготе и широте составляли 3—6 м при использовании в среднем 7—8 КА (в зависимости от точки приёма) . В то же время ошибки GPS составляли 2—4 м при использовании в среднем 6—11 КА (в зависимости от точки приёма) .

 При совместном использовании  обеих навигационных систем ошибки  составляют 2—3 м при использовании  в среднем 14—19 КА (в зависимости  от точки приёма) .

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 м, но после перевода в рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч» точность навигационного сигнала ГЛОНАСС возрастёт до одного метра (ранее система определяла местонахождение объекта лишь с точностью до 50 м) .

К 2015 г. планируется увеличить точность позиционирования до 1,4 метра, к 2020 году — до 0,6 метра с дальнейшим доведением до 10 см.  

Сейчас точность определения координат ГЛОНАСС без использования наземных уточняющих устройств составляет 3–6м,у GPS аналогичный показатель составляет 2–4 м. 
В разных странах мира поддерживается внушительное количество систем координат, в России же в качестве государственных используются две: ПЗ-90 для обеспечения орбитальных полетов, задач оборонной тематики и спутниковой навигации и СК-95 для геодезических и картографических работ.

Наиболее точной системой является ITRF (International Terrestrial Reference Frame). Она устанавливается Международной службой вращения Земли (IERS) по наиболее точным технологиям наблюдения: радиоинтерферометрии на сверхдлинных базах, лазерной локации искусственных спутников, доплеровских измерений низкоорбитальных спутников и т.д. Точность измерений ITRF настолько высока, что позволяет измерять скорость перемещения пунктов до 0,5 мм в год. ITRF также использует данные, получаемые от систем ГЛОНАСС и GPS.