Интересное
Система ГЛОНАСС — что это такое и для чего она нужна
Местоположение объектов на Земле можно определить с точностью до метра. В России это возможно благодаря ГЛОНАСС — глобальной навигационной спутниковой системе. Она используется в смартфонах для определения местоположения, для мониторинга транспорта, геодезических работ. Разбираемся, как работает ГЛОНАСС и чем отличаются друг от друга различные глобальные навигационные системы.
Содержание:
ГЛОНАСС: что это такое
ГЛОНАСС — это российская навигационная спутниковая система, которая определяет координаты, скорость и точное время по сигналам спутников. Система работает глобально и доступна в любой точке Земли. Приёмник (в смартфоне, автомобиле или промышленном оборудовании) принимает эти сигналы и вычисляет точные координаты, скорость движения и время.
Где применяется ГЛОНАСС
ГЛОНАСС используют в транспорте и логистике, в экстренных службах, авиации и судоходстве, сельском хозяйстве, строительстве, геодезии и системах синхронизации времени. Во всех этих случаях ГЛОНАСС помогает определить положение объекта, его движение и время.
Транспорт и логистика
Отслеживание транспорта в реальном времени, контроль маршрутов, пробега, расхода топлива и сроков доставки. Пример: логистические компании используют систему для мониторинга автопарка и оптимизации маршрутов доставки.
Экстренные службы
Быстрое определение местоположения транспортных средств и координация действий спасательных служб. Например, при вызове экстренной помощи система помогает оперативно направить ближайшую бригаду к месту происшествия.
Авиация и судоходство
Навигация и контроль движения воздушных и морских судов на маршруте. Системы навигации помогают экипажам поддерживать заданный курс и безопасно проходить маршрут.
Сельское хозяйство
Автоматизация движения сельхозтехники и контроль обработки полей. Пример: тракторы используют навигацию для точного посева без перекрытий и пропусков.
Строительство и геодезия
Высокоточное определение координат при строительных работах. При разметке площадки система помогает точно фиксировать границы объектов.
Смартфоны и потребительская электроника
Навигация, картографические сервисы и определение местоположения в приложениях. Например, мобильные карты используют данные системы для построения маршрутов и определения текущего положения пользователя.
Государственная инфраструктура
Синхронизация времени и навигационных данных в телекоммуникациях, энергетике и цифровых системах. Пример: синхронизация времени используется для корректной работы распределённых цифровых сервисов и сетей.
Другие материалы об инновациях в космосе:
История создания ГЛОНАСС
Идею использовать спутники для навигации впервые предложил профессор Валентин Шебшаевич в 1957 году. В те годы научные институты СССР искали способы повысить точность навигационных измерений, обеспечить глобальное покрытие, круглосуточную работу и независимость от погодных условий.
Первым практическим шагом стала низкоорбитальная система «Цикада», разработанная в 1963 году. В 1967-м на орбиту вывели спутник «Космос-192», который передавал радионавигационные сигналы на частотах 150 и 400 МГц на протяжении всего срока службы.
К 1979 году «Цикада» состояла уже из четырёх спутников. Позже их модернизировали и оснастили аппаратурой для поиска объектов, терпящих бедствие. Спутники принимали аварийные сигналы и передавали их на наземные станции, где рассчитывали координаты судов или самолётов.
Эта технология легла в основу советской части международной поисково-спасательной системы «Коспас—Сарсат». Параллельно шла работа над полноценной глобальной навигационной спутниковой системой. Лётные испытания ГЛОНАСС начались в октябре 1982 года с запуска спутника «Космос-1413». К 1993 году систему официально ввели в эксплуатацию, а к 1995 году развернули полную группировку из 24 спутников первого поколения. Началась штатная работа.
В 1990-е годы из-за экономических трудностей поддержание орбитальной группировки стало невозможным. Количество спутников сократилось, и к 2002 году в системе оставалось всего около 7 аппаратов.
Кризис удалось преодолеть после запуска в 2002 году федеральной целевой программы по развитию ГЛОНАСС.
С 2012 года развитие ГЛОНАСС продолжается в рамках новых федеральных целевых программ. Их цели:
История ГЛОНАСС
Как работает ГЛОНАСС
Спутники на орбите непрерывно передают навигационный сигнал, содержащий данные о времени и параметрах орбиты. Приёмник в автомобиле, смартфоне или промышленном оборудовании принимает сигналы и определяет расстояние до спутников по времени их прохождения. На основе этих данных устройство рассчитывает местоположение объекта.
Для точного определения координат приёмнику необходимо одновременно получать сигналы от четырёх спутников. Это позволяет вычислить:
Точность ГЛОНАСС и определения координат зависит от нескольких факторов: количества доступных спутников, качества приёмного оборудования, уровня помех, плотности городской застройки и условий приёма сигнала. В современных устройствах ГЛОНАСС обычно работает вместе с другими навигационными системами — это повышает стабильность и точность навигации.
Сколько спутников в ГЛОНАСС
Для полноценной глобальной навигации орбитальная группировка ГЛОНАСС должна включать 24 рабочих спутника. Такое количество обеспечивает стабильное покрытие всей поверхности Земли.
За всё время развития системы использовали несколько поколений космических аппаратов:
«Глонасс» — спутники первого поколения;
«Глонасс»-М» — аппараты с увеличенным сроком службы и повышенной точностью передачи данных;
«Глонасс»-К» — спутники меньшей массы с улучшенными техническими характеристиками;
«Глонасс»-К2» — новое поколение аппаратов с высокой точностью и повышенной устойчивостью к помехам.
Помимо основных спутников, орбитальная группировка включает резервные аппараты и спутники, которые проходят лётные испытания или техническое обслуживание.
Читайте о том, как развивается частная космонавтика в ожидании «русского Илона Маска», в статье популяризатора космонавтики Виталия Егорова.
С технической точки зрения система построена так: спутники распределены по трём орбитальным плоскостям, в каждой из которых размещается по восемь аппаратов. Орбитальные плоскости равномерно распределены вокруг Земли, а высота орбиты составляет 19 100 км.
Такая конфигурация позволяет приёмникам одновременно получать сигналы сразу от нескольких спутников и определять координаты практически в любой точке мира.
Что такое GPS и чем ГЛОНАСС отличается от GPS
GPS (Global Positioning System — «глобальная позиционирующая система») — американская глобальная спутниковая навигационная система, разработанная по заказу Министерства обороны США. Её полное официальное название — NAVSTAR GPS.
Идея определять местоположение по сигналам спутников возникла ещё в конце 1950-х: учёные заметили, что по изменению частоты радиосигнала (эффект Доплера) можно вычислить координаты приёмника.
Активная разработка современной системы началась в 1970-е годы. Первый спутник NAVSTAR вывели на орбиту в 1978 году, а к середине 1990-х годов группировка была полностью развёрнута — 24 спутника обеспечивали глобальное покрытие.
GPS стала первой полноценной и массово используемой глобальной навигационной системой. Именно она заложила основу для автомобильных навигаторов, мобильных карт и геолокационных сервисов в смартфонах.
Параметры группировки спутников
У GPS спутники распределены по шести орбитальным плоскостям с наклоном 55°. Благодаря этому система обеспечивает высокую точность в средних широтах — например, в Европе, большей части США и Китае. В этих регионах добавление сигналов ГЛОНАСС почти не улучшает позиционирование.
У ГЛОНАСС — три орбитальные плоскости с бо́льшим наклоном: 64,8°. Это даёт преимущество в высокоширотных зонах: спутники дольше остаются над горизонтом и лучше «видны» приёмникам.
Поэтому в приполярных регионах (включая север России и Арктику) ГЛОНАСС обеспечивает более стабильное и точное позиционирование, чем GPS. У последней в таких широтах (за 55-й параллелью) геометрия спутников становится менее выгодной, что снижает качество сигнала и точность определения координат.
Способ разделения сигналов: FDMA против CDMA
Одна из ключевых технических особенностей спутниковых навигационных систем — это способ, которым приёмник различает сигналы от разных спутников. Для этого применяются разные методы разделения сигналов. Исторически ГЛОНАСС и GPS используют разные методы.
FDMA считается более ресурсоёмкой технологией, но обеспечивает повышенную устойчивость к помехам. Поскольку на спутниковый сигнал влияют здания, осадки, облачность и радиопомехи от наземных источников, такая помехоустойчивость делает ГЛОНАСС особенно надёжной для задач мониторинга транспорта.
Главное достоинство CDMA — высокая точность позиционирования: погрешность составляет всего 2–4 метра. Благодаря этому GPS традиционно показывает лучшие результаты в картографии и геодезии по сравнению с ранними версиями ГЛОНАСС. Но новые российские спутники (ГЛОНАСС-К, К2 и будущие КМ) уже передают сигналы и по технологии CDMA. Это делает ГЛОНАСС совместимой с GPS и другими глобальными навигационными системами.
Идеи, лежащие в основе CDMA, появились задолго до её массового внедрения. Ещё в 1935 году советский учёный Дмитрий Агеев опубликовал работу, в которой заложил теоретические основы кодового разделения сигналов. Хотя современная реализация CDMA оформилась значительно позже, именно эти ранние исследования стали одним из её интеллектуальных истоков.
Синхронизация времени
Для пользователей (водителей, геодезистов, агрономов) эта разница во времени незаметна. Но она критически важна в системах, где требуется сверхточная синхронизация: в военных приложениях, банковских транзакциях, энергосетях и телекоммуникациях.
Точность систем зависит от приёмника, местоположения спутников, условий приёма и поправок. Для обычного пользователя систем слежения ГЛОНАСС и GPS практически идентичны.
Другие глобальные навигационные системы
Смартфоны, автомобильные навигаторы и профессиональное оборудование обычно принимают сигналы сразу от нескольких спутниковых систем, включая ГЛОНАСС, GPS и другие. Чем больше спутников «видит» устройство, тем быстрее и точнее оно определяет местоположение.
Помимо ГЛОНАСС и GPS, активно развиваются и другие глобальные навигационные системы.
«Галилео» — европейская система спутниковой навигации
Развёртывание орбитальной группировки заняло более десяти лет и до сих пор не завершено полностью. Часть спутников находится в резерве, работает в тестовом режиме или выведена из эксплуатации. В 2019 году система на несколько дней потеряла работоспособность — сигнал стал недоступен для пользователей. После этого многие приложения, компании и частные пользователи перестали полагаться на «Галилео» как на основной источник навигационных данных.
BeiDou — китайское решение
Для обеспечения глобального покрытия системе требуется 35 спутников, в то время как GPS и ГЛОНАСС обходятся 24 аппаратами. На сегодняшний день Китай уже вывел на орбиту 49 спутников BeiDou.
Наземная инфраструктура (центры управления и станции мониторинга) продолжает развиваться. Пока Китаю приходится частично использовать военные корабли для приёма и контроля сигналов со спутников, особенно в регионах, где нет наземных станций.
Что показали испытания навигационных систем?
В 2017 году российские и китайские учёные провели эксперимент «Шёлковый путь», охвативший десятки городов — от Выборга до юго-восточных провинций Китая.
На протяжении всего маршрута системы обеспечивали такие условия навигации:
При использовании ГЛОНАСС и BEIDOU условия навигации на участках «Шелкового пути» были хорошими в 100% случаев. Условия навигации по Галилео оказались неудовлетворительными.
IRNSS — индийская система навигации
IRNSS (также известна как NavIC) охватывает территорию Индии и прилегающую зону до 1500 км за её пределами — включая часть Индийского океана и Юго-Восточную Азию. Система предоставляет стандартное позиционирование для гражданских пользователей и повышенную точность для военных структур. Благодаря этому IRNSS играет ключевую роль в обороне, транспорте, морской навигации и обеспечении работы критической инфраструктуры Индии.
Главные вопросы и ответы
Выбор зависит от региона: ГЛОНАСС обеспечивает более стабильное позиционирование в высокоширотных зонах, включая север России и Арктику. GPS показывает высокую точность в средних широтах — Европе, США и Китае. В современных устройствах системы работают совместно, что повышает общую точность навигации.
Спутники непрерывно передают сигналы с данными о времени и параметрах орбиты. Приёмник вычисляет расстояние до спутников по времени прохождения сигнала и на основе этих данных рассчитывает координаты, высоту, скорость и время. Для точного позиционирования необходимо одновременно принимать сигналы от четырёх спутников.
Спутники распределены по трём орбитальным плоскостям, в каждой из которых размещается по восемь аппаратов. Высота орбиты составляет около 19 100 км, наклонение к экватору — 64,8°.
Редакция СберПро
Автор