Что такое ГЛОНАСС, для чего она нужна и как работает система

Сегмент систем глобального позиционирования стабильно растет — на него приходится около половины рынка услуг геолокации, а в 2025 году по всему миру будет продано более 2,5 млрд устройств с поддержкой технологии. Россия выступает в качестве оператора одной из крупнейших систем позиционирования — ГЛОНАСС. Спутниковая система работает с 1960-х, а в наши дни применяется практически в каждой сфере — от науки до развлечений.

Что такое ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) — российская спутниковая система навигации, которая транслирует гражданские и военные сигналы, доступные в любой точке Земли. Система обеспечивает точное позиционирование объекта в пространстве с минимальной погрешностью. Для определения координат используется специальное оборудование, которое при поддержке наземной инфраструктуры связывается с сетью спутников, выведенных на околоземную орбиту.

В 1957 году исследователь в области космической радионавигации Валентин Шебшаевич впервые предложил использовать спутники для навигации. Последующие наработки в этой области применили в 1963 году при работе над первой отечественной низкоорбитальной системой «Цикада». В 1967 году был выведен на орбиту первый навигационный отечественный спутник «Космос-192». Саму систему «Цикада» из четырех спутников запустили в эксплуатацию в 1979 году. Она позволяла пользователям каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из спутников и определять свое местоположение.

В дальнейшем спутники «Цикады» усовершенствовали, добавив приемную измерительную аппаратуру для обнаружения объектов, терпящих бедствие. Их сигналы принимались спутниками через специальные наземные станции. Модернизированная группировка «Цикада-М» с 1976 года стала использоваться для навигации в военных целях.

Испытания высокоорбитальной навигационной системы ГЛОНАСС начали в октябре 1982 года. Тогда был запущен спутник «Космос-1413». Саму систему начали эксплуатировать в 1993 году. В 1995 году она была развернута в полном составе и включала 24 спутника первого поколения.

После 2008 года пользователей «Цикады» и «Цикады-М» перевели на обслуживание ГЛОНАСС, а эксплуатацию первых двух систем прекратили.

Хронология развития системы ГЛОНАСС (Фото: glonass-iac.ru)

Со временем система ГЛОНАСС постепенно деградировала из-за нехватки финансирования. В 2002 году для ее модернизации разработали федеральную целевую программу.

В настоящее время развитием проекта занимаются Федеральное космическое агентство («Роскосмос») и два акционерных общества — «Российские космические системы» и «Информационные спутниковые системы». Его оператором выступает НП «ГЛОНАСС», а мониторинг работы ведет АО «ЦНИИмаш».

Экономика инноваций Ученые успешно протестировали первый автономный рой спутников на орбите

Для чего нужна ГЛОНАСС

В настоящее время ГЛОНАСС применяется по многим направлениям:

• для услуг, основанных на данных о местоположении (целевая реклама, доступ к информационным ресурсам, геоинформационные системы);
• для мониторинга (местоположение людей, животных и имущества, координация экипажей экстренных служб, перемещение ценных грузов, проверка состояния железнодорожных путей);
• в сфере геодезии и картографии (геодезическая съемка, кадастровые работы, межевание, поддержка проведения инженерных работ и строительства, актуализация карт и планов);
• в строительстве (автоматизированное управление строительной техникой, дорожные строительные работы, прокладка коммуникаций, трубопроводов, строительство и ремонт железнодорожных путей);
• для наземного транспорта (автономное построение маршрутов движения, интеллектуальные транспортные системы, оперативный мониторинг состояния железнодорожных путей);
• в сельском хозяйстве (оптимизация посадки, полива и сбора урожая, повышение эффективности опыления посевов, обслуживание сельскохозяйственной техники);
• в авиации (взлет и посадка, маршрутная навигация, полеты беспилотников);
• на воде (маневрирование в портах, на внутренних водных путях, навигация на внутренних водных путях, мониторинг и учет флота);
• в космонавтике (отслеживание средств выведения на орбиту, высокоточное определение орбит, определение ориентации аппаратов относительно Солнца);
• в целях связи (синхронизация работы линий электропередачи, средств связи и телекоммуникаций, а также времени разнесенных в пространстве потребителей);
• в сфере экологии (мониторинг деформаций, параметров вращения Земли, состава и состояния тропосферы и ионосферы, водных и лесных ресурсов);
• в промышленности (добыча полезных ископаемых).

Где и как применяется ГЛОНАСС (Фото: glonass-iac.ru)

Сколько спутников ГЛОНАСС

В настоящее время российская навигационная группировка насчитывает 26 аппаратов. При этом 24 спутника выступают как основные, а два находятся на этапе летных испытаний. 21 спутник группировки относится к модели ГЛОНАСС-М, четыре — ГЛОНАСС-К и один — ГЛОНАСС-К2. Последний спутник вывели на орбиту в августе 2023 года. На земле разрабатываются еще шесть аппаратов модификации К и шесть — К2. Согласно контрактам, до 2035 года к эксплуатации подготовят 14 спутников ГЛОНАСС-К2 и шесть аппаратов ГЛОНАСС-В, которые заработают на новой орбите. После 2035 года более старые модели должны заменить спутники следующего поколения — ГЛОНАСС-КМ. Последняя на сегодняшний день модель — ГЛОНАСС-К2 — отличается от предшественников большей точностью определения координат, так как ее оснастили обновленными хронометрами и новым типом сигналов с кодовым разделением.

Все спутники движутся в трех орбитальных плоскостях, а каждая группировка насчитывает восемь аппаратов. Они наклонены к экватору под углом 64,8 градуса, а высота их орбит составляет 19,1 тыс. км.

Схема расположения группировки спутников ГЛОНАСС (Фото: glonass-iac.ru)

Один спутник совершает оборот вокруг Земли за 11 часов 15 минут 44 секунды. За счет структуры орбитальной группировки все спутники движутся по единой трассе над поверхностью Земли, повторяя путь через восемь суток. Это позволяет обходиться без коррекции орбит космических аппаратов в течение всего срока их эксплуатации.

Как работает ГЛОНАСС

На этапе проектирования для системы ГЛОНАСС использовали частотный метод разделения сигналов различных аппаратов: каждый из них использует свою пару несущих частот разного диапазона. Эти сигналы описывают положение центра антенны аппарата.

Спутники и наземное оборудование взаимодействуют с пользователями через клиентские устройства — навигаторы, трекеры, «маяки» и т.д.

Приемники ГЛОНАСС позволяют определить:

• горизонтальные координаты с точностью 50–70 м;
• вертикальные координаты с точностью 70 м;
• вектор скорости с точностью 15 см/с;
• точное время с точностью 0,7 мкс.

Чтобы определить координаты с достаточной степенью точности, требуется соединение хотя бы с четырьмя спутниками. Затем сообщение с координатами передается на клиентские устройства, которые сопоставляют время его отправки и получения. Это позволяет проводить мониторинг движущихся объектов. Погрешность измерений может составлять десять или более метров, она зависит от климатических факторов, ограничений по безопасности, качества приемников и других факторов.

Индустрия 4.0 Космические кибератаки: кто и зачем ворует данные со спутников

Каждый спутник передает сигналы двух видов: открытые с обычной точностью и защищенные с повышенной точностью. Первый вид сигналов доступен любому приемнику ГЛОНАСС, а второй — только военным.

К настоящему моменту спутники ГЛОНАСС представлены в четырех поколениях:

• ГЛОНАСС-М (выпускались в 2003–2016 годах) — предназначены для гражданских потребителей;
• ГЛОНАСС-К (с 2011 года) — предлагают совместимые по формату с системами GPS, Galileo и Compass сигналы, а также точность навигации вдвое выше предшественников;
• ГЛОНАСС-К2 (с 2023 года) — точнее определяют координаты и передают сигналы на трех частотах диапазона, причем на третьей — с кодовым разделением, что обеспечивает абонентам широкополосный непрерывный доступ;
• ГЛОНАСС-В — пока планируются к запуску, обеспечат точность навигации на 25% выше в России и Восточном полушарии. Такие аппараты будут передавать только новые сигналы с кодовым разделением.

Разница между сигналами с частотным и кодовым разделением (Фото: glonass-iac.ru)

Чем ГЛОНАСС отличается от GPS

GPS — это американская навигационная система. Принцип ее работы практически не отличается от ГЛОНАСС, если не считать точности данных: у российской разработки погрешность составляет 3–6 м, а у GPS — 2–4 м. Кроме того, орбита спутников GPS располагается чуть выше ГЛОНАСС, на высоте 20,2 тыс. км. По-разному располагаются и группировки спутников на орбите: у GPS они разделены по шести плоскостям, а орбиты вращения у них круговые. Благодаря этому в каждой точке земного шара обеспечен прием минимум с шести из 24 аппаратов, что может давать большую точность.

Экономика инноваций Что такое GPS и как работает эта система — от картографии до геокэшинга

Основные различия между системами:

• расположение аппаратов — спутники ГЛОНАСС движутся асинхронно с вращением Земли, поэтому им не требуется корректировка орбит в отличие от GPS;
• способ передачи данных — у ГЛОНАСС информация шифруется по протоколу FDMA (Frequency Division Multiple Access с частотным разделением сигналов), а у GPS — CDMA (Code Division Multiple Access с кодовым разделением);
• покрытие — ГЛОНАСС покрывает 100% всей территории России и 70% планеты, а GPS работает везде, кроме широт у полярных кругов из-за наклона орбиты.