Обзор различных навигационных систем.

Обзор: GLONASS – Россия, NAVSTAR (GPS) – США, GALILEO – Европа, BEIDOU (COMPASS) – Китай.

Реальность сегодняшнего дня такова, что сфера телекоммуникаций играет значительную роль в нашей жизни. Различные страны активно инвестирую в её развитие, понимая, что современная жизнь требует улучшения в этой сфере человеческой деятельности. В 20 столетии человечество сделало значительный шаг вперед, создав глобальные космические системы определения местонахождения и телекоммуникации. Эти системы огромны, как по затратам на свою реализацию, так и по своим возможностям и масштабам. Однако, они уже прочно влились в нашу жизнь. ГЛОНАСС – система сегодняшнего дня, которая успешно работает и активно используется для мониторинга и управления транспортом. Миллионы машин уже оборудовано совмещенными ГЛОНАСС/GPS приемниками. Подтвержденный факт, что в условиях плотной городской застройки устойчивость работы совмещенного ГЛОНАСС/GPS-приемника намного выше, чем просто GPS или просто ГЛОНАСС. 

Исторически ГЛОНАСС и GPS стартовали почти одновременно – разница в развертывании полной группировки 24 спутника была 2 года – но потом пути систем разошлись. GPS развивался планомерно и равномерно, а ГЛОНАСС вместе со всей страной пережил системный кризис начала 90-х. Начиная с 2000 года начались работы по восстановлению ГЛОНАСС, и сейчас они дают ощутимые плоды. В настоящее время на орбите находится 28 спутников, из которых 22 используется по назначению (3 временно выведены на техобслуживание, 1в резерве и 2 на этапе летных испытаний). К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

К концу 2020 года, с учетом европейской системы «Галилео» и китайской «Компас», на орбите уже находятся 136 навигационных спутников (32 GPS, 28 ГЛОНАСС, 27 GALILEO и 49 COMPASS). Если пару лет назад, например, четырехсистемный приемник был некоторой технической проблемой (он потребляет намного большую мощность, чем только GPS решение), то сейчас, после смены 3-4 поколений электроники эти вопросы уже решены. Соответственно, чем больше разных навигационных систем поддерживается приемником и навигационным или мониторинговым устройством, тем выше качество навигации. 

ГЛОНАСС – российская система навигации.

ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. 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.

Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. 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. Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 году до 6. 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. В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС), заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС.

Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, из которых некоторые успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли 6 аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. 25 декабря 2008 года количество было доведено до 18 спутников. 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. Прежние планы предполагали запуск на орбиту двух троек новых спутников «Глонасс-М» в сентябре и в декабре 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. 

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).

2 сентября 2010 года общее количество спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 — группировка была полностью развёрнута для полного покрытия Земли

7 декабря 2015 года было объявлено о завершении создания системы ГЛОНАСС. Готовая система была направлена на заключительные испытания Минобороны РФ  

Точность навигации.

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстаёт от аналогичных показателей для GPS. Согласно данным Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), 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). Согласно заявлениям главы "Роскосмоса" Анатолия Перминова, принимаются меры по увеличению точности.

В 2011 году была модернизирована система наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составляет порядка 2,8 м для гражданских потребителей

К 2021 году точность системы ГЛОНАСС должна возрасти до до 0,6 метра с дальнейшим доведением до 10 см. Среди мер по повышению точности российской системы обычно называются пополнение орбитальной группировки, увеличение точности эфемерид, улучшение потребительских устройств и постепенная замена спутников на более совершенные Глонасс-М и Глонасс-К.  

Кроме того, повышение точности позиционирования, предполагается достигнуть путем развития сети наземных станций, обеспечивающих дифференциальную коррекцию сигнала. В 2020 году сеть унифицированных станций сбора измерений (УССИ) охватывала территорию России и сопредельных государств состояла из 56 станций, дислоцированных на территории РФ и 12 УССИ за рубежом.

Доступность навигации.

Информационно-аналитический центр ГЛОНАСС публикует на своём сайте официальные сведения о доступности навигационных услуг в виде карт мгновенной и интегральной доступности, а также позволяет вычислить зоны видимости для данного места и даты. Оперативный и апостериорный мониторинг систем GPS и ГЛОНАСС также осуществляет Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ). На 4 февраля 2010 года количество видимых над горизонтом над Россией спутников ГЛОНАСС, как правило, было равно 6-8 КА. Согласно карте интегральной доступности точность определения координат «хорошая» и лучше (PDOP ≤ 6) осуществлялось для России практически в течение всего дня (точнее, для 95 % времени в течение дня, хотя для самых южных районов иногда бывает 92 %).

В некоторых районах земного шара «хорошая» и лучше точность определения координат (PDOP ≤ 6) могло осуществляться только в течение 80 % времени суток, а в некоторых точках и в течение 70 %. На 29 марта 2010 года количество видимых над горизонтом над Россией спутников ГЛОНАСС, как правило, было равно 7-8 КА. Для 30 марта 2010 года согласно карте интегральной доступности точность определения координат «хорошая» и лучше (PDOP ≤ 6) осуществляется для России практически в течение всего дня (точнее, для 99 % времени в течение дня для всей страны кроме района Владивостока, где этот показатель равен 95 %). В некоторых районах земного шара «хорошая» и лучше точность определения координат (PDOP ≤ 6) может осуществляться только в течение 92 % времени суток, а в некоторых точках и в течение 80 %. По состоянию на ноябрь 2020 года официальный «прогноз точности навигационного определения по ГНСС ГЛОНАСС» указывает точность около 2-4 метров

При совместном использовании ГЛОНАСС и GPS в совместных приёмниках (практически все ГЛОНАСС приёмники являются совместными) точность определения координат практически всегда «отличная» вследствие большого количества видимых КА и их хорошего взаимного расположения.

27 сентября 2011 года вышло постановление правительства Российской Федерации об обязательном оснащении пассажирских транспортных средств совмещенными модулями ГЛОНАСС/GPS .

NAVSTAR (GPS) – американская система навигации.

GPS (англ. Global Positioning System) - Глобальная система позиционирования. NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range - обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники). Спутниковая система навигации, позволяющая в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Но поскольку разница между часами спутника и приёмника может внести в решение огромную ошибку, один из КА используется как "базовый", с него получают время, остальные три используются для определения координат. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. 

Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты. Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Первоначально GPS — глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом. Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США. Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20180 км. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приемника. Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код, модуляция BPSK), передаваемый в диапазоне L1 и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M, распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа - SA) с мая 2000 года отключен. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диаппазоне L1. Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диаппазонах L1/L2 модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введен в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (32 аппарат в ноябре 2020 года).

Пользовательский сегмент.

Сегодня GPS-приёмники встраивают в навигаторы, штатные автомобильные магнитолы на Android, смартфоны, умные часы, трекеры и многие другие гаджеты. Их количество исчисляется сотнями миллионов приемных устройств, которые применяются, в основном, для определения местонахождения и скорости. Потребителям предлагаются множество различных устройств и программных продуктов, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте, прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков и дорожной обстановки (пробок), осуществлять навигацию, искать на карте адреса, достопримечательности, любые объекты инфраструктуры, обеспечивать мониторинг различных объектов и т.п

Точность.

Типичная точность современных GPS приемников в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра при хорошей видимости спутников. Для сравнения, точность ГЛОНАСС составляет +/-5 метров. При использовании систем дифференциальных поправок или WAAS, точность GPS может быть существенно увеличена.  

Недостатки.

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.
Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён. 

GALILEO – европейская система навигации.

Galileo (Галилео) — европейский проект спутниковой системы навигации. Европейская система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее одного метра. Ныне существующие GPS-приёмники пока не не могут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео, хотя достигнута договорённость о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Так как финансирование проекта будет осуществляться в том числе за счёт продажи лицензий производителям приёмников, следует так же ожидать, что цена на последние будет несколько выше сегодняшних. Помимо стран Европейского сообщества достигнуты договорённости на участие в проекте с государствами — Китай, Израиль, Южная Корея, Украина и Россия. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. 

10 декабря 2011 года Galileo передала на Землю первый тестовый навигационный сигнал. Тестовая фаза проекта «Галилео» произошла 12 марта 2013 года. Четвёртый этап проекта запущен с 2014 года.

Ожидается, что «Галилео» полностью начнет функционировать к 2021 году, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников начиная с 2010 года. Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями.

Разработку осуществляет Европейское Космическое Агенство (ЕSА). Общие затраты на создание системы оцениваются в 3,8 млрд евро. Опытные спутники Галилео (Galileo In-Orbit Validation Element) Galileo In Orbit Validation Element. Первый опытный спутник системы Галилео "GIOVE-A" был доставлен на космодром Байконур 30 ноября 2005 года. 28 декабря 2005 года в 8:19 с помощью ракеты-носителя «Союз-ФГ» космический аппарат "GIOVE-A" был выведен на расчётную орбиту высотой более 23000 км с наклонением 56° Масса аппарата 700 кг, габаритные размеры: длина — 1,2 м, диаметр — 1,1 м. Основная задача "GIOVE-A" состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах. Спутник создавался в расчете на 2 года активного экспериментирования, которое и было успешно завершено примерно в расчетные сроки. Передача сигналов по состоянию на апрель 2009 года еще продолжалась. Второй опытный спутник системы Галилео "GIOVE-B" был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача "GIOVE-B" состоит в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам. "GIOVE-B" — первый спутник в котором в качестве часов используется водородный мазер. "GIOVE-B" способен передавать несколько модификаций дальномерного кода открытой службы на частоте L1 (модуляции BOC(1,1), CBOC, TMBOC), из которых предполагается выбрать одну для дальнейшего постоянного использования. Оба спутника GIOVE предназначены для проведения испытаний аппаратуры и исследования характеристик сигналов.

Для систематического сбора данных измерений усилиями ESA была создана всемирная сеть наземных станций слежения оборудованных приемниками разработанными в компании Septentrio.   

Надёжность системы также будет повышена за счёт применения двухдиапазонного приёмника (L1: 1559—1591 и E5: 1164—1215 МГц). Кодированный сигнал, позволяющий обеспечить точность позиционирования до 10 см будет предоставляться за отдельную плату. Точность позиционирования увеличивается за счёт использования двух дополнительных сигналов (в диапазоне E6 1260—1300 МГц). Права на использование сигнала планируется перепродавать через провайдеров. Предполагается гибкая система оплаты в зависимости от времени использования и вида абонемента.

Система разработана в соответствии с директивами Международной морской организации (IMO) и должна быть включена в Глобальную морскую систему связи при бедствиях и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ).

BEIDOU – китайская система навигации.

 Китай начал разрабатывать собственные навигационные системы еще с 1960-х годов. Однако этот процесс продвигался достаточно медленно из-за недостатка финансирования и технических сложностей. В 1980-х годах развивалась система «Twin-Star» (буквально «Двойная звезда»). Запуск двух спутников в 1989 году показал, что точность этой навигационной системы сопоставима с точностью системы GPS. Китайское правительство официально утвердила программу развития национальной спутниковой системы в 1993 году. Эта система получила название BeiDou 1. Это выражение можно перевести с китайского как «Большой ковш» и указывает на группу из семи звезд в созвездии Большая медведица. Исторически они использовались для определения Полярной звезды, поэтому название является удачным сравнением для современной навигационной системы.

Заказ на изготовление спутников был выполнен Китайской академией космических технологий. По состоянию на конец 2008 года в систему входит четыре космических аппарата, находящихся на геостационарных орбитах. Первые два спутника BeiDou 1 (BeiDou-1A and BeiDou-1B) были запущены из Центра запуска спутников Сичан 31 октября и 21 декабря 2000 года. Работа системы началась в конце 2001 года. Третий резервный спутник Beidou-1C был запущен 25 мая 2003 года, обеспечивая бесперебойную работу системы. Сигналы BeiDou 1 стали доступными для гражданских пользователей в апреле 2004 года. 2 февраля 2007 года был запущен четвертый спутник Beidou-1D, который стал дополнением к уже эксплуатируемым спутникам. Система навигации BeiDou 1 имеет принципиальное отличие от GPS, поскольку в китайской системе спутники располагаются на геостационарных орбитах, то есть постоянно находятся над одной и той же точкой земной поверхности.

Орбиты двух спутников определяются следующими меридианами: 80° и 140° восточной долготы, орбиты третьего и четвертого спутников можно обозначить как GEO 110.5°E и GEO 86°E (геостационарные орбиты). Это позволяет получать сигналы системы на площади, ограниченной меридианами (70°-140° E) и параллелями (5°-55° N). Следовательно, спутники полностью покрывают территорию Китая и некоторых соседних государств. Сегмент контроля включает в себя три наземных станции.

Система обеспечивает точность определения координат с погрешностью не более 100 метров, однако при использовании дифференциальных методов разброс может быть уменьшен до 20 метров. Еще одним существенным отличием BeiDou 1 от GPS является метод определения координат. Навигатор в китайской системе является не только приемником, но и передатчиком сигнала. Станция мониторинга через два спутника посылает сигнал пользователю. Устройство пользователя после получения сигнала посылает ответный сигнал через оба спутника. Наземная станция по задержке сигнала рассчитывает географические координаты пользователя, определяет высоту по имеющейся базе данных и передает сигналы на устройство пользовательского сегмента.

Следовательно, навигаторы для BeiDou 1 более дорогие и массивные, поскольку служат и для передачи сигналов. Однако и число пользователей, одновременно работающих с системой, ограничено и составляет 150 человек. Следующим шагом в развитии национальной навигационной системы Китая стала CompassSatelliteNavigationSystem, или BeiDou 2. Цель этой системы - обеспечение непрерывного определения координат и скорости с высокой точностью. Долгосрочной целью является построение глобальной спутниковой системы, подобной ГЛОНАСС и GPS. BeiDou 2 предоставляет два типа обслуживания: открытые сигналы и сигналы, доступные только для лицензированных или военных пользователей. Точность определения координат находится в пределах 10 метров, скорости – 0.2 м/с, а времени – 50 наносекунд. 

27 декабря 2011 года «Бэйдоу» была запущена в тестовом режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов. 27 декабря 2012 года система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников.

8 мая 2014 года система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что в районе города Тяньцзинь точность составляет менее 1 метра благодаря новой построенной наземной станции корректировки

Кроме развития собственных спутниковых систем, Китай заключил договор с Евросоюзом в 2003 году и обязался инвестировать около 230 миллионов евро в проект Галилео.

По информации агенства «Синьхуа» со ссылкой на информацию Канцелярии по управлению спутниковой навигационной системой КНР, 23 июня 2020 года был запущен последний из 55 спутников навигационной системы. 31 июля 2020 в Доме народных собраний в Пекине прошла торжественная церемония запуска системы Beidou-3. 

Российская система ГЛОНАСС, безусловно, является конкурентом и американской GPS, и европейской Galileo, и китайской Beidou. Хотя ГЛОНАСС имеет уже достаточно долгую историю, активно развиваться эта система начала только в последнее время при активной поддержке руководства нашей страны.

В течении последних трёх лет система ГЛОНАСС была выведена на уровень, который обеспечивает уверенный приём сигнала на территории России. На сегодняшний день существенным недостатком системы ГЛОНАСС являются точность определения координат, которая нивелируется совместным использованием сигнала GPS для повышения точности. Что касается GALILEO и BEIDOU, то они пока не являются ведущими игроками, но в ближайшем будущем заявят о себе и составят конкуренцию основным игрокам на навигационном рынке.