Системы мониторинга для автотранспортных средств ГЛОНАСС/GPS

    3. Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) 

   ГЛОНАСС – советская и российская спутниковая  система навигации, разработана  по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. 

   3.1. История развития  ГЛОНАСС 

   Первый  спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 года спутниковая группировка была развернута до штатного состава — 24 спутника. 

   В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников — таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. 

   На  совете главных конструкторов ГЛОНАСС  план развёртывания системы был  скорректирован с той целью, чтобы  на территории России система ГЛОНАСС  заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года. Однако в марте 2008 года сроки изготовления спутников и ракет были пересмотрены, чтобы ввести все спутники в эксплуатацию до конца года. Предполагалось, что запуски состоятся раньше на два месяца и система до конца года в России заработает. Планы были реализованы в срок. 

   29 января 2009 года было объявлено,  что первым городом страны, где  общественный транспорт в массовом  порядке будет оснащён системой  ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-оборудование производства компании «M2M телематика» было установлено на 250 сочинских автобусах. 

   В ноябре 2009 года было объявлено, что  Украинский научно-исследовательский  институт радиотехнических измерений (Харьков) и Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (Москва) создадут совместное предприятие. Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС. 

   15 декабря 2009 года на встрече  премьер-министра России Владимира Путина с главой Роскосмоса Анатолием Перминовым было заявлено, что развёртывание ГЛОНАСС будет окончено к концу 2010 года. 

   К 30 марта 2010 года количество работающих КА было доведено до 21 (плюс 2 резервных  КА). 
 
 
 
 

   Рисунок 1. Приемновычислительный модуль ГЛОНАСС/GPS «1К-181» 
 
 

   Рисунок 2. Автомобильный ГЛОНАСС/GPS навигатор-регистратор «СЛЕДОПЫТ-А001М» 

   Рисунок 3. ГАЛС-С1 

   3.2. Основные элементы  и принцип работы  ГЛОНАСС 

   Полная  орбитальная группировка (ОГ) в СРНС (спутниковая радионавигационная система) ГЛОНАСС содержит 24 штатных Космических  Аппарата (КА) на круговых орбитах на высоте 19100км., в трех орбитальных плоскостях по восемь КА в каждой. Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления.

   Он  включает в себя Центр управления системой (г.Краснознаменск, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом. Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). По своей структуре системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS являются системами двойного действия и предназначены для использования, как в военных целях, так и в гражданских. По новому, корректированному, проекту программы ГЛОНАСС спутниковая группировка системы будет состоять из 30 космических аппаратов, часть из которых будет находиться в рабочем резерве. При доведении количества действующих спутников до восемнадцати, на территории России обеспечивается практически 100%-ная непрерывная навигация. На остальной части земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов. Практически непрерывная навигация по всей территории Земли обеспечивается при полной орбитальной группировке из двадцати четырёх действующих спутников.  

   В данный момент используются спутники типов ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М. С началом эксплуатации спутников нового поколения ГЛОНАСС-К планируется повысить точность определения координат до 5 метров. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS состоят из трех основных сегментов: космического (ИСЗ), наземного управления ИСЗ и навигационного оборудования конечных пользователей системы. Число пользователей навигационной системы GPS и ГЛОНАСС постоянно растет и на сегодняшний день очень многочисленно. В системе ГЛОНАСС применяется разделение сигналов по частотам (FDMA), которые излучают искусственные спутники на две фазы. Первый сигнал имеет частоту в диапазоне L1 1600 МГц, а второй – частоту в диапазоне L2 1250 МГц. При нахождении пользователя с навигационным прибором ГЛОНАСС в зоне видимости спутника ему доступен сигнал с частотой в диапазоне L1 1600 МГц. Вторая частота используется исключительно для нужд военной навигации. Система спутниковой навигации GPS применяет CDMA – кодовое деление сигналов, и так же имеет два диапазона частот L1 1575,42 МГц и L2 1227,6 МГц. 

   3.3. Практическое применение  ГЛОНАСС 

   Отечественная ГЛОНАСС по своей структуре, назначению и функциональности аналогична Американской системе GPS. ГЛОНАСС имеет возможность  с высокой точностью определять как координаты наземного объекта, так и осуществлять временную и скоростную привязку. На сегодняшний день применение систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS очень широко - на судоходных реках, в морях и океанах, в крупных городах и на магистралях. Использование системы ГЛОНАСС и GPS для гражданских нужд возможно в различных сферах - в сотовой связи, грузоперевозках, страховой деятельности, в службах такси, путешествиях, просто поездках по мегаполису, в картографии и энергетике, поисково-спасательных работах и строительстве, для слежения за миграцией животных. Радиус действия между базовыми станциями составляет до 2 тыс. км, а между базовой станцией и локальным приемником – до 220 км. 

   Сферы применения ГЛОНАСС: 

• Министерство  обороны;
• Транспорт (космический, воздушный, морской, речной, наземный);
• Решение прикладных (геодезия, картография, океанография, геофизика, землеустройство, геология, добыча полезных ископаемых, рыболовство, экология) и научных задач (фундаментальные и научно-экспериментальные исследования).

    4. Сравнение ГЛОНАСС  и GPS 

   Рассмотрим  некоторые особенности основных систем спутниковой навигации (NAVSTAR и ГЛОНАСС): Обе системы имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах — 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идёт её активное восстановление. Обе системы используют сигналы на основе т.н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков. В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 — только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа). Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) — это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался. 

   4.1. Дифференциальное измерение 

   Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют  производить так называемое «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет точность порядка 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка основана на геостационарных объектах (спутниках, наземных базовых станциях), обычно является платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу»). В настоящее время (2006-й год) существует бесплатная европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), основанная на двух геостационарных спутниках, дающая высокую точность (до 30 см), но работающая с перебоями и ненадёжно. В Северной Америке её аналогом является система WAAS. 

   4.2. Недостатки GPS системы 

   Несмотря  на все преимущества, у GPS-систем есть и недостатки. Например, GPS- приемник может быть отключен в любой момент, скажем, из соображений безопасности США. Кроме того, внедрение GPS- технологии подразумевает наличие подробных электронных карт c масштабом до 100 м, которые есть в свободной продаже не в каждой стране. Нельзя не упомянуть то обстоятельство, что при вычислении координат спутниковая система допускает погрешности. Природа этих ошибок различна. Основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений в GPS-системе, в частности, являются:

• погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м.
• погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.
• погрешности, связанные с распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А- кодом не превышают 30 м.
• эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не более 3м.
• погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.
• погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелированна с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.