Сравнительная характеристика систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС

Наиболее существенный вклад в навигационные измерения  вносят ошибки, связанные с распространением сигнала в атмосфере Земли, а  именно в ионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время. Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от GPS приемника до спутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят все погодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скорость распространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используют дифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников WAAS/EGNOS и позволяют повысить точность позиционирования до 1 метра.

Листва деревьев, особенно после дождя, существенно ослабляет  уровень принимаемого GPS приемником навигационного сигнала

Ошибки многолучевости можно одновременно отнести и  к категории ошибок, связанных с распространением навигационного GPS сигнала, и к ошибкам GPS приемника. Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационного сигнала от близкорасположенных объектов – зданий, металлических конструкций, деревьев и т. п. В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переотраженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.

Ошибка приемной аппаратуры связана с «шумами» возникающими в радио-части GPS навигатора. Эти  ошибки, во многом, определяются качеством  используемой элементной базы GPS приемников.

 

1.2 ГЛОНАСС

Глоба́льная навигацио́нная спу́тниковая систе́ма (ГЛОНА́СС, GLONASS) — советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации.

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. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» («Российские космические системы»).

ГЛОНАСС предназначена  для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.

Для обеспечения  коммерциализации и массового внедрения  технологий ГЛОНАСС в России и  за рубежом постановлением Правительства  РФ в июле 2009 года был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной  деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы».

Основное  отличие от системы GPS в том, что  спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном  движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

с 2012 года до 2020 года на развитие ГЛОНАСC из бюджета  РФ выделено 320 миллиардов рублей.

1.2.1 Необходимое системе количество спутников

При доведении количества действующих спутников до 18 на территории России обеспечивается практически 100%-ная  непрерывная навигация. На остальной  части земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов.

Практически непрерывная  навигация по всей территории Земли  обеспечивается при полной орбитальной  группировке из 24 действующих спутников. 
Реальное количество необходимых на орбите спутников равно 30 (включая резервные).

1.2.2 Периоды развития ГЛОНАСС

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, некоторые из которых успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть 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 спутникового мониторинга  на базе ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-оборудование  производства компании «М2М телематика» было установлено на 250 сочинских автобусах.

В ноябре 2009 года было объявлено, что Украинский научно-исследовательский  институт радиотехнических измерений (Харьков) и Российский научно-исследовательский  институт космического приборостроения (Москва) создадут совместное предприятие. Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС.

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).

С переходом на спутники «Глонасс-К» точность системы ГЛОНАСС станет сопоставимой с точностью американской навигационной системы NAVSTAR GPS —  единственной зарубежной развернутой  навигационной системой.

2 сентября 2010 года группировка спутников пополнена ещё тремя спутниками и общее количество спутников в группировке доведено до 26.

3 октября 2011 года успешно  выведен на орбиту ещё один  спутник. Общее количество на  орбите — 27.

4 ноября 2011 с помощью  ракеты-носитель «Протон-М» с  разгонным блоком «Бриз-М» были выведены на опорную орбиту 3 КА «Глонасс-М».

28 ноября 2011 года с  космодрома Плесецк выполнен успешный пуск ракеты-носителя «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» и КА «Глонасс-М». В 15:57 МСК спутник успешно выведен на целевую орбиту.

 

1.2.3 Точность ГЛОНАСС

В настоящее время  точность определения координат  системой ГЛОНАСС несколько отстаёт  от аналогичных показателей для GPS.

Согласно данным 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 2,00—4,00 м при использовании в среднем 6—11 КА (в зависимости от точки приёма).

При совместном использовании  обеих навигационных систем ошибки составляют 2-3  м при использовании в среднем 14—19 КА (в зависимости от точки приёма).

Согласно заявлениям главы Роскосмоса Анатолия Перминова, принимались меры по увеличению точности.

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 3,0 м, но после перевода в рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч» точность навигационного сигнала ГЛОНАСС возрастёт до одного метра. (Ранее система определяла местонахождение объекта лишь с точностью до 50 м).

Россия начала работы по размещению станций системы дифференциальной коррекции и мониторинга для  повышения точности и надёжности работы навигационной системы ГЛОНАСС за рубежом. Первая зарубежная станция уже построена и успешно функционирует в Антарктиде, это станция «Беллинсгаузен». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России и одну станцию в Антарктиде. Развитие системы предусматривает развёртывание восьми дополнительных станций на территории России и пяти станций за рубежом (дополнительные станции будут размещены в таких странах, как Куба, Бразилия, Вьетнам, Австралия, и ещё одна дополнительная будет размещена в Антарктиде).

При этом использование  обеих навигационных систем уже  сейчас даёт существенный прирост точности. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, даёт точность определения координат на территории Европы на уровне 1,5—3 метров.

1.2.4 Доступность ГЛОНАСС

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) могла 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 %.

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.

По сообщению Reuters, сотрудники шведской компании Swepos, обслуживающей  общенациональную сеть спутниковых  навигационных станций, признали преимущество российский системы навигации ГЛОНАСС  над американской GPS. По словам Бо Йонссона, замглавы подразделения геодезических исследований, ГЛОНАСС обеспечивает более точное позиционирование в северных широтах: «она (Глонасс) работает немного лучше в северных широтах, потому что орбиты её спутников расположены выше, и мы видим их лучше, чем спутники GPS». Йонссон сообщил, что 90 % клиентов его компании используют Глонасс в комбинации с GPS.

Постановление правительства  Российский Федерации от 27 сентября 2011 года об обязательном оснащении  пассажирских транспортных средств модулями ГЛОНАСС/GPS сделает систему ГЛОНАСС ещё более популярной.