ВСЕ ПРО ГЛОНАСС И GPS

Потенциальные возможности спутниковой навигации появились с момента запуска первого Искусственного Спутника Земли.

В настоящее время, спутниковые системы навигации широко используются для обеспечения навигации и позиционирования с высокой точностью для всех потребителей на любом месте и в любое время.
Спутниковая навигация - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, навигационных топографических карт, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;
Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
Приемное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;
Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы систем навигации

Принцип работы систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определенности скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определенный промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.
В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приемов по их решению:
Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приемников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трех (2-мерная навигация при известной высоте) или четырех (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).
Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты;
Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в определенных пределах; Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего прием их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

В настоящее время работают или готовятся к развертыванию следующие системы спутниковой навигации:

NAVSTAR (GPS)-США.
Глобальная Система Позиционирования (GPS) разработана и поддерживается на государственном уровне США.
Система GPS является единственной спутниковой системой навигации в настоящее время, которая обеспечивает предоставление услуг в глобальном масштабе.
Спутниковая группировка состоит из 24 непрерывно работающих спутников.

ГЛОНАСС — Россия.
ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система была разработана в 1978 г. Орбитальная группировка в полном составе будет насчитывать 24 спутника.
В настоящее время система находится на этапе развертывания спутниковой группировки и насчитывает только 20 спутников на орбите. Принадлежит министерству обороны России. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR (GPS).

Китайская Навигационная Спутниковая Система Compass.
Китай, являющийся наиболее быстро развивающейся страной в мире, также начал строительство своей собственной спутниковой системы навигации Compass.
Развертываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Космический сегмент спутниковой системы навигации Compass будет сформирован из 5 спутников на Геостационарной орбите (ГСО) и 30 спутников на средней земной орбите.

Европейская Система Galileo
Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.
Программа GALILEO создается с целью обеспечения Европы собственной независимой глобальной навигационной системой и создания конкуренции, в первую очередь с GPS.
Ведутся переговоры с Россией по взаимодействию между ГЛОНАСС и GALILEO. Такие государства, как Австралия, Аргентина, Бразилия, Япония, Малайзия, Мексика и Норвегия так же заинтересованы в участии в GALILEO.
Полная орбитальная группировка будет насчитывать 30 спутников.

Индийская Спутниковая Региональная Система Навигации
Правительство Индии одобрило 9 Мая 2006, проект развертывания Индийской Спутниковая Региональная Система Навигации (IRNSS). Спутниковая группировка IRNSS будет состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах.

Японская Quasi-Zenith навигационная система (QZSS)
Первоначально Японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии.
Японская QZSS в основном предназначена для улучшения характеристик GPS на национальной и некоторых соседних территориях.
Ожидается, что внедрение QZSS позволит существенно повысить эффективность решения навигационных и других задач и придаст ускорение внедрению новых применений для навигации, которые требуют большей точности и надежности.
В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальные навигационные спутниковые системы GPS, GLONASS и GALILEO.

Технические детали работы систем

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. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от Военного Ведомства США. В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приемникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).
Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трех 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 развернута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идет ее активное восстановление.
Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придает им высокую помехозащищенность и надежность 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, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приемного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приемного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) — это называется «теплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приемник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приемника, либо если он долго не использовался.

Состав системы ГЛОНАСС

Принципы работы системы ГЛОНАСС

Запуски спутников ГЛОНАСС

25 декабря 2005 с космодрома «Байконур» на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» были запущены один спутник «ГЛОНАСС» и два спутника «ГЛОНАСС-М» с увеличенным ресурсом эксплуатации.
26 декабря 2006 состоялся вывод на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» трех спутников «ГЛОНАСС-М».
26 октября 2007 ракета-носитель «Протон-К» стартовала с Байконура и вывела на околоземную орбиту три модифицированных спутника «ГЛОНАСС-М».
25 декабря 2007 с космодрома «Байконур» стартовала ракета-носитель «Протон-М» и вывела на орбиту три спутника «ГЛОНАСС-М». Одновременно 4 спутника, запущенные в 2001-2003 годах, были выведены из группировки.
25 сентября 2008 запуск ракеты-носителя «Протон»с тремя спутниками «ГЛОНАСС-М», 1 спутник, запущенный ранее - на этапе вывода из состава ОГ.
25 декабря 2008 после успешного пуска с космодрома «Байконур» ракеты-носителя «Протон-М» 3 космических аппарата «ГЛОНАСС-М» успешно отделились от разгонного блока и начали автономный полет.
В настоящее время орбитальная группировка состоит из 20 спутников, полная группировка в составе 24-х спутников в соответствии с федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» должна быть развернута в 2010 году.

В настоящее время состав орбитальной группировки еще не обеспечивает 100% доступность услуг ГЛОНАСС на территории страны, однако количество видимых над горизонтом в России спутников ГЛОНАСС, как правило, равняется трем или более. По заявлениям продавцов навигационного прибора Glospace, для определения местоположения достаточно трех видимых спутников ГЛОНАСС, а четвертый дает уточнение о высоте. Отсюда нетрудно сделать вывод, что для ориентирования наземных пользователей (автоводителей, грибников, туристов и т. п.) система вполне пригодна прямо сейчас, хотя при самолетовождении еще могут возникать определенные трудности.
Спутники «ГЛОНАСС-М» в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года. Летные испытания не герметичных спутников нового поколения «ГЛОНАСС-К» с улучшенными характеристиками (увеличенным до 10 лет гарантийным сроком и третьей частотой L-диапазона для гражданских потребителей) должны начаться в 2010 году. Этот спутник будет вдвое легче своего предшественника (примерно 850 кг против 1415 кг у «Глонасс-М»)
В дальнейшем, после развертывания орбитальной группировки из 24-х космических аппаратов, для ее поддержания потребуется делать по одному групповому пуску в год двух КА «ГЛОНАСС-К» на носителе «Союз», что существенно снизит эксплуатационные расходы.

С 1 января 2006 г. все вновь вводимые в эксплуатацию транспортные средства, включая самолеты, суда, наземный транспорт, геодезическое оборудование и космические аппараты, — должны в обязательном порядке оснащаться аппаратурой спутниковой навигации отечественной системы ГЛОНАСС или комбинированными приемниками ГЛОНАСС/GPS.

Согласно постановлению правительства РФ от 9 июня 2005 г. приемниками ГЛОНАСС должны быть оборудованы находящиеся в эксплуатации транспортные средства. По мнению представителей «Роскосмоса», эти меры являются разумными и призваны защитить отечественный рынок пользовательской аппаратуры глобальной спутниковой навигации. С другой стороны, эти системы в первую очередь направлены на решение задач национальной безопасности, поскольку глобальная спутниковая навигационная система играет важнейшую роль в обеспечении применения высокоточного оружия дальнего радиуса действия. Вместе с тем, будущее системы ГЛОНАСС предстает далеко не в безоблачном свете.
Опасения вызывает отсутствие на рынке конкурентоспособных отечественных приемников ГЛОНАСС, а также конкретных планов развертывания ее массового производства.

Значение ГЛОНАСС для экономики страны.

Использование системы ГЛОНАСС/GPS находит самое широкое применение, как в военной, так и в гражданских сферах. Имея возможность получать мгновенную информацию о местонахождении Ваших детей, родных и близких людей с помощью использования устройств персонального мониторинга, Вы всегда можете быть спокойны за их безопасность. Возможность получения сообщений о местонахождении транспортных средств коммерческих предприятий также имеет немаловажное значение. Владение такой информацией в режиме реального времени способствует экономии средств, минимизации рабочего времени за счет оперативного управления транспортными потоками с помощью современных программно-технических средств.
Спутниковая навигация помогает определять точное географическое местоположение объектов. Это очень важно прежде всего для сферы транспорта - авиационного, морского, автомобильного, железнодорожного. В огромных мегаполисах мира на услугах спутниковой навигации базируется обеспечение более или менее свободного перемещения на автомагистралях. Только за счет оптимизации работы светофоров, регулирования транспортных потоков экономия времени и средств составляет не менее 20 процентов. Ровно аналогичная ситуация с пробками. Пробки – это огромные, колоссальные потери времени и материальных ресурсов отдельных людей и компаний. 1 час простоя одного сотрудника в пробке ежедневно оборачиваются сотнями миллионов и миллиардами рублей потерь в масштабах страны. Соответственно, эффективная борьба с пробками приобретает решающее значение с точки зрения повышения эффективности развития экономики России в целом.
Если говорить об областях специального назначения космической навигации - геодезии, картографии, геологоразведке, кадастровых работах, то там применение ГЛОНАСС или GPS-технологий позволяет экономить колоссальные средства.
Сигналы спутниковых навигационных систем используют и для синхронизации времени во многих передовых отраслях экономики. Ведутся работы по использованию спутниковых навигационных технологий в интересах научных исследований.
Частные фирмы охотно идут на то, чтобы вкладывать серьезные средства в спутниковую навигацию. А это значит, она им выгодна и необходима. Бизнес не любит выбрасывать деньги на ветер.
Одним словом, навигация – базовый компонент инфраструктуры современной экономики, способный "спасти" миллионы, десятки и сотни миллионов, миллиарды рублей в год в масштабах государства, стимулируя рост и развитие огромного числа компаний и организаций. Увеличивая налогооблагаемую базу. Спутниковая навигация необходима экономике страны так же, как ей необходима сотовая связь, быстрый Интернет, хорошие дороги. Чем лучше дороги, тем эффективнее работает экономика. Чем больше количество людей и транспортных средства, использующих навигацию на ежедневном, бытовом уровне, тем выше эффективность работы людей и компании, субъектов этой экономики.

Проблемы внедрения ГЛОНАСС.

Первая проблема кроется в самой спутниковой группировке ГЛОНАСС. Пока система полноценно и гарантированно не начнет работать, никто деньги вкладывать в НАП не будет. Таким образом, до 2010 года еще есть время.
Вторая проблема – проектирование ГЛОНАСС-чипов. Сегодня их в России нет. Отечественные дизайн-центры не в состоянии конкурировать с зарубежными, разработчики которых работают на проектных нормах 0,09–0,065 мкм и ниже. Это важно для того, чтобы получить ГЛОНАСС-приемник типа «Система в корпусе» или, по международной терминологии, «Sуstem in Package» (SiP). Ведущие мировые электронные компании давно уже работают с GPS-чипами на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС) типа «Система на Кристалле» («System on Chip» – SoC).
Сегодня от ГЛОНАСС/GPS спутникового навигационного приемника (СНП) требуется невысокая потребляемая мощность (несколько десятков милливатт), высокая производительность и низкая стоимость, что невозможно получить методом разработки СНП на основе схем программируемой логики (ПЛИС), которые используют многие российские компании. Существующие ГЛОНАСС/GPS-приемники имеют большие габариты, которые не позволяют разработчикам НАП создавать устройства для мобильных приложений.
Третья проблема ГЛОНАСС/GPS-приемников – отсутствие у российских дизайн-центров собственных ГЛОНАСС/GPS навигационных процессоров, которые составляют основу любого приемника. Все западные компании широко используют так называемые IP (Intellectual Property) – блоки. Они являются основными для всех передовых радиоэлектронных компаний, которые занимаются разработкой электроники.
Четвертая проблема – производственная. Предприятия Роскосмоса (РИРВ, ФГУП РНИИ КП, ФГУП НИИ КП) вряд ли осилят не свойственное им производство массовой гражданской ГЛОНАСС-продукции. Кроме того, сегодня ни один российский завод бывшего Роспрома не в состоянии наладить массовый выпуск (от 500 000 штук в месяц) ГЛОНАСС-оборудования (мобильные навигационные терминалы, навигаторы и т.д.), так как не отвечают современным требованиям микроэлектроники, высок процент брака (до 10%), низкое качество и т. п. Предлагаемое на рынке России ГЛОНАСС-оборудование имеет высокую цену, которую нельзя сравнить с ценой GPS-оборудования.
Пятая проблема – системная. Сегодня ГЛОНАСС/GPS-приемники необходимы не только для того, чтобы показывать пользователю местоположение, но они важны для мобильных приложений (мобильные телефоны, PDA).
Актуальной является задача интеграции ГЛОНАСС-приемника с GSM/TETRA/WiMAX–модемами, которые могут передавать полученные данные от спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в центры оперативного мониторинга (ЦОМ). В России нет так называемых «центров оперативного мониторинга» (ЦОМ) федерального масштаба, которые представляют из себя замкнутую архитектуру сетевого и телекоммуникационного оборудования cо специальным программным обеспечением, способным в режиме реального времени обрабатывать большие массивы запросов на сопровождение, например, воинских колонн или эшелонов в интересах МО РФ, МЧС и других ведомств от мобильных навигационных терминалов в огромных базах данных. Опыта интеграции подобных ЦОМ для Минобороны, ФСБ, МИД, МВД, МЧС РФ ни у одного системного интегратора в России нет.
Шестая проблема - отсутствие рынка навигационных картографических материалов и баз данных. По-прежнему, поиск каких-либо качественных пространственных данных задача почти не разрешимая. Легче все сделать заново. Это связано с отсутствием метаданных, отсутствием обновления государственных топографических карт и жесткой государственной политикой в области имущественных и авторских прав на государственную картографическую основу. Кроме того, продолжает мешать развитию действующая секретность. Остро назрели проблемы Федерального картографо-геодезического фонда (обязательность использования, плата, авторские и имущественные права третьих лиц).
Официальные государственные цифровые топографические карты можно приобрести только в предприятиях Роскартографии (система ГИС-центров), вместе с тем до сих пор на сайтах госгисцентров вы не найдете конкретной номенклатуры, объектового состава, формата данных и самого главного показателей оценки качества и цены.
Седьмая причина, сдерживающая прогресс в отрасли остается отсутствие механизма качественного совершенствования законодательной, нормативной и правовой документации.

Вывод: многие страны в мире кровно заинтересованы в появлении работающей мощной альтернативы американской системе GPS. Если такая альтернатива появится, без сомнения, она будет востребована в десятках стран в самых разных регионах.

Но важно понимать, что ГЛОНАСС никому не нужен в виде спутников, летающих по своим орбитам и вещающим в пустоту свои сигналы. В мире нужны законченные решения, то есть помимо спутников наши потенциальные партнеры – покупатели ГЛОНАСС - ждут оборудование, которое ловит сигналы спутников как ГЛОНАСС, так и GPS, ПО, которое на этом оборудовании работает, технологии создания навигационных карт и их актуализации, навигационные сервисы (та же телематика и системы контроля транспорта). Если ГЛОНАСС "выйдет" на мировую арену именно как альтернативное законченное решение спутниковой навигации, система, которая предлагает законченную инфраструктуру, то у нас есть все шансы не просто утвердить тем самым свое влияние в мире, но и получить весьма доходную индустрию, способную производить высокотехнологичные и, что самое главное, востребованные на мировом рынке продукты. Индустрию, которая дает доход не от экспорта нефти-газа или металлов платиновой группы, а индустрию которая в которой продаются за рубеж продукты работы мозга российских инженеров и программистов. Это именно то самое "изменение структуры экспорта с расширением доли продукции высокотехнологичных отраслей" или "перевод экономики с сырьевых на инновационные рельсы".