GPS и ГЛОНАСС

Современные системы навигации: GPS и ГЛОНАСС. Схожести и различия.

Человечество на протяжении всего периода существования стремилось определять местоположение определенного объекта на основании имеющейся информации. Стремительное развитие технологического процесса открыло перед пользователями совершенно новые возможности.

Современная спутниковая навигация позволяет максимально быстро и точно определять свое местонахождение, контролировать перемещение транспортных средств, в том числе в случае кражи или угона. В случае чрезвычайной ситуации наличие спутниковой навигации поможет значительно ускорить поиск людей.

В чем суть навигации – знают многие, и в основном ассоциируют навигационные сервисы с системой GPS. Но в последние годы у всех россиян на слуху система ГЛОНАСС как аналог американской GPS, но на практике с этой системой мало кто знаком, давайте попробуем разобраться, чем глобальные навигационные системы похожи, чем отличаются, и как используются.

Начнем с истории развития глобальных навигационных систем.

ГЛОНАСС

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)— советская/российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР.

Официально начало работ по созданию ГЛОНАСС было положено в декабре 1976 года специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Данный проект являлся продолжением развития отечественной навигационной спутниковой системы, начатой программой «Циклон».

Основой системы являются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой орбит 19400 км . Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своём орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка  ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Полноценную работу система начала лишь в 2010 г., хотя попытки ввести комплекс в активную работу предпринимались с 1995 г. Во многом проблемы были связаны с низкой долговечностью используемых спутников. На данный момент ГЛОНАСС - это 24 спутника, которые работают в разных точках орбиты. В целом навигационную инфраструктуру можно представить тремя компонентами: космические аппараты, управляющий комплекс (обеспечивает контроль группировки на орбите), а также навигационные технические средства пользователей.

GPS

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей — нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 1950-е годы. В тот момент, когда в 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 точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

В 1973 году была инициирована программа «DNSS», позже переименованная в «Navstar-GPS», а, затем, в «GPS». Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. Вывод спутника советской системы позиционирования в 1982 году дал повод конгрессу США выделить деньги и ускорить работы. Шла холодная война, гонка вооружений набирала обороты. В 1983 году начались интенсивные работы по созданию GPS, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., и 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.

GPS состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского[4]. Спутники GPS транслируют сигнал из космоса, и все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трём координатам в режиме реального времени.

Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.

Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20 200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.

Преимущества и недостатки  ГЛОНАСС и GPS

Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки двух навигационных систем.

Недостатками ГЛОНАСС являются:

необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии;

при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25—30м, а в дифференциальном режиме — превышают 10 м;

при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;

сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.

Недостатков у системы GPS тоже не мало. Среди основных можно выделить следующие

Преимущества ГЛОНАСС

Во-первых, объективная причина, по которой система ГЛОНАСС лучше – она российская, а значит, гораздо лучше знает особенности российской местностью и учитывает особенности ландшафта, что позволяет ей с большой точностью определять местонахождение объекта на карте. К тому же навигаторы с этой системой уверенно ловят сигнал в таких далеких уголках нашей планеты, как северный и южный полюсы. Траектория полетов спутников GPS и ряд технологических особенностей не позволяют американской системе похвастаться такими же результатами. Не стоит забывать, что изначально технология спутникового слежения предназначалась исключительно для военных целей. Выгода иметь отечественный аналог в данном контексте очевидна – никто не сможет в нужный момент отрубить сигнал, нагнать помех, изменить алгоритм или искривить точность показаний.

Недостатки GPS:

Во-первых такое понятие как геометрия спутников, которая сильно влияет на точность данных. Для того, чтобы данные отличались достоверностью, необходимо, чтобы спутники располагались не на одной линии, а в разных сторонах горизонта – юг, запад, север, восток.

Во-вторых, система GPS подвержена специфическим ошибкам при прохождении сигнала. Явление это называется многолучевой интерференцией, т.е. складки рельефа и прочие препятствия влияют на прохождение сигнала. В естественных условиях за препятствие сойдет гора, в городе - высокие здания. Чем дольше задерживается сигнал, тем большая погрешность образуется, поскольку приемник принимает создавшуюся "виртуальную удаленность" спутника за настоящую.

Сигнал также может задерживаться из-за атмосферной нестабильности (при прохождении сигнала через ионосферу и тропосферу скорость его распространения становится меньше скорости света) или сбоя часов принимающего устройства. Ведь код должен генерироваться одновременно и на передающем, и на принимающем устройстве. Если точный ход часов нарушен (а случается это только у принимающего устройства, поскольку на спутнике установлены атомные высокоточные часы), то может возникнуть погрешность.

Cистема GPS, в первую очередь создана для военных целей. Поэтому гражданским пользователям достались приёмники с весьма ограниченной точностью опрделения каординат. Министерством Обороны США было установлено ограничение по точности определения координат для гражданских служб и частных пользователей, которое получило название Selective Availability (избирательный доступ). GPS стандартной точности была предназначена для граждан (код L1). Точность передачи сигнала при этом регулировалась так называемой дифференциальной коррекцией, и погрешность в 100 м считалась вполне нормальным явлением. Но сегодняшние бытовые GPS-устройства могут определять координаты с точностью до 5 метров.

Преимущества GPS

К преимуществам американской системы можно отнести полную укомплектованность спутниками на орбите. Это дает существенные преимущества в стабильности работы навигации, а также большую точность. На просторах российского космоса вращается минимальное количество спутников ГЛОНАСС, способных обеспечить бесперебойную работу системы, однако в ближайшем будущем это ситуация должна измениться в лучшую сторону. Пожалуй, главным достоинством GPS является ее клиентоориентированность. Самые популярные платформы мобильных устройств способны принимать и качественно обрабатывать сигналы со спутников, при этом дружественный и простой интерфейс операционных систем располагает выбирать иностранный аналог. До тех пор, пока наши программисты не смогут встроить ГЛОНАСС в популярные на рынке платформы, предпочтения наших соотечественников будут отдаваться американской системе.

Сходства  и различия систем навигации GPS и ГЛОНАСС

Принцип построения систем в очень похож, на орбиту запускается определенное количество спутников (считается достаточным минимум 24 спутника для охвата всей территории Земного шара для каждой из систем), которые передают сигнал принимающим устройствам для определения координат по расстоянию минимум до трех спутников той или иной системы.

Среди базовых задач системы — определение координат объекта, способного взаимодействовать со спутниками ГЛОНАСС. GPS в этом смысле выполняет схожие задачи. В частности, рассчитываются параметры движения наземных, морских и воздушных объектов. За несколько секунд транспортное средство, обеспеченное соответствующим навигатором может вычислить характеристики собственного движения.

Различия

Между навигационными системами выделяется несколько отличий. В частности, есть разница в характере расстановки и движении спутников на орбитах. В комплексе ГЛОНАСС они движутся по трем плоскостям (по восемь спутников на каждую), а в системе GPS предусматривается работа в шести плоскостях (примерно по четыре на плоскость). Таким образом, российская система обеспечивает более широкий охват наземной территории, что отражается и в более высокой точности. Однако на практике краткосрочная «жизнь» отечественных спутников не позволяет использовать весь потенциал системы ГЛОНАСС. GPS, в свою очередь, поддерживает высокую точность за счет избыточного количества спутников. Тем не менее российский комплекс регулярно вводит новые спутники, как для целевого использования так и в качестве резервной поддержки. Также применяются разные методы кодирования сигнала – американцы используют код CDMA, а в ГЛОНАСС – FDMA. При расчете приемниками данных для позиционирования российская спутниковая система предусматривает более сложную модель. В результате для использования ГЛОНАСС необходимо высокое потребление энергии, что отражается в габаритах устройств. Именно с этим и связан больший размер приемников ГЛОНАСС по сравнению с приемниками GPS, которые уже встраивают в миниатюрные устройства, например, часы.

Что лучше ГЛОНАСС или GPS?

Когда зарождались первые спутниковые навигационные системы: будущие GPS и ГЛОНАСС, мир находился в двуполярной противостоящей политической системе, поэтому каждый из проектов делался в первую очередь для военных целей и противостояния с «потенциальным противником». Но изменение мира повлияло и на навигационные системы.

Интересно, что идею, на которой основываются нынешние спутниковые навигационные системы, советские ученые сами подсказали американским. Когда первый спутник оглашал пустынные просторы околоземного пространства своим «бип-бип-бип» американские специалисты обратили внимание, что эффект Допплера работает и в зависимости от расстояния до спутника частота его сигнала меняется. Это наблюдение натолкнуло на мысль, что по фиксированной частоте исходящей от спутника можно определить расстояние до него если знать координаты своего местоположения. И наоборот, принимая сигналы от четырех спутников, чьи координаты хорошо известны, можно определить свое местоположение на Земле. То есть спутниковая система тогда становится по-настоящему глобальной, когда в каждой точке земного шара можно поймать сигналы четырех спутников. Для этого на высокой орбите должно быть не менее 24 аппаратов.

В 2001 году правительством России было принято решение восстановить систему и внедрять ее для коммерческого использования. На тот момент на орбите находилось только 6 спутников да и те с истекающими сроками эксплуатации. За десять лет была проделана колоссальная работа и до конца 2011 года система ГЛОНАСС должна выйти на 100% мощность и даже сформировать орбитальный резерв. Несмотря на немногочисленные «слепые зоны» ГЛОНАСС, которые будут сохраняться пока на орбите действуют 23 спутника, точность местоопределения не многим уступает GPS.

Согласно данным Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга  на 22 июля 2011 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС составляли 4,46—7,38 м при использовании в среднем 7—8 спутников (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2,00—8,76 м при использовании в среднем 6—11 спутников (в зависимости от точки приёма).  То есть американская система по-прежнему лидирует, но уже не настолько как в 2001 году.

Несмотря на более высокую  точнось определения координат, к GPS тоже есть нарекания. Касается это прежде всего пользователей из приполярных областей планеты. Из-за невысокого наклонения орбит спутников GPS там серьезно ухудшается качество приема сигнала. И именно здесь российской ГЛОНАСС нет конкурентов, поскольку рассчитывалась она с рассчетом обеспечить качественный прием на российской территории, а значит и на Севере.

Впрочем, вопрос «кто-кого поборет» в нынешнем информационном мире уже не актуален. Практически все оборудование, как любительского так и профессионального уровня использующая ГЛОНАСС так же использует и сигналы GPS. То есть фактически все терминалы являются двухсистемными. И если идет речь о точности местоопределения, то безусловным ответом будет «ГЛОНАСС/GPS». Правда у двухсистемных аппаратов есть один минус — цена. Разумеется два микрочипа будут стоить дороже чем один, но зато вдвое повышается надежность приема сигнала, и точность местоопределения — до 2,37-4,65 м.

Мы рассмотрели не все навигационные системы. Помимо GPS и ГЛОНАСС, разрабатываются японская Quasi-Zenith и европейская Galileо. К развитию собственных СНС приступили также Китай и Индия.

Спутниковые системы навигации перестали быть привилегией силовых структур, они постепенно проникают и в повседневную жизнь. Все больше и больше устройств оснащаются функцией навигации,  начиная от телефонов и плееров и заканчивая фотоаппаратами. Это происходит за счет уменьшения стоимости аппаратных навигационных модулей и применения программной реализации модуля.