Основы принципов спутниковой навигации были заложены ещё в пятидесятые годы, после запуска первого советского искусственного спутника. Наблюдая сигнал, транслируемый спутником, группа американских учёных под руководством Ричарда Кершнера обнаружила, что частота принимаемого сигнала возрастает с приближением спутника и, напротив, уменьшается по мере его отдаления (эффект Доплера). Такое наблюдение натолкнуло ученых на мысль о том, что точное знание расположения наземного объекта делает возможным измерение месторасположения и скорости спутника. Соответственно, точное знание положения спутника позволяет определить координаты и скорость перемещения наземного объекта.

Тем не менее, впервые практическая реализация идей американских специалистов и ученых СССР, занятых в разработке теории позиционирования, состоялась только в 1982 году после запуска первого спутника, которому предстояло войти в глобальную систему позиционирования (GLONASS).

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС - одна из двух существующих глобальных систем спутниковой навигации, начало разработок которой было положено еще в 1976 году, после чего, в связи с отсутствием достаточного финансирования, программа была свернута. Полноценная реализация и запуск проекта ГЛОНАСС состоялись в 2009 году, после развала Союза. На сегодня российский ГЛОНАСС и американская GPS являются основными действующими системами глобальной спутниковой навигации.

Основное назначение ГЛОНАСС - оперативная доставка навигационно-временной информации пользователям наземного, космического, воздушного и морского базирования. Обеспечение доступа к гражданским сигналам GLONASS предоставляется потребителям на бесплатной основе без любых ограничений в любой точке земного шара. Обеспечение обмена информацией осуществляется 24-мя спутниками, перемещающимися по 3-м орбитальным траекториям на высотах порядка 19100 км. Основанная на тех же физических принципах, что и американский аналог ГЛОНАСС - система NAVSTAR GPS, - ГЛОНАСС обеспечивает погрешность измерений в 3-6 метров. GPS работает несколько точнее, обеспечивая доступ сигнала с точностью - 2…4 м.

Развитие проекта ГЛОНАСС находится в юрисдикции агентства «Роскосмос».

GPS

GPS (Джи Пи Эс, англ. Global Positioning System) - американская спутниковая система навигации, транслирующая полезные данные о времени и расстояниях и позволяющая определить месторасположения объекта в пределах глобальной координатной системы WGS 84. Разработка системы, ее реализация и ввод в эксплуатацию в 1993 году проводились согласно инструкциям Министерства обороны США.

Сегодня система GPS-навигации, как и ГЛОНАСС, доступна для использования гражданскими потребителями. Для обеспечения работы информационного канала достаточно приобрести GPS-навигатор или аналогичный аппарат с GPS-приёмником.

ГЛОНАСС или GPS?

В отличие от системы слежения NAVSTAR GPS, спутники, обеспечивающие работу системы GLONASS, не демонстрирует резонанса (работают асинхронно) с вращением Земли. Благодаря этому удается достичь большей стабильности транслируемого сигнала. Еще одно преимущество системы ГЛОНАСС раскрывается благодаря правильно подобранным параметрам орбиты (высоте, углу наклона и периоду): GLONASS способен обеспечивать надежную трансляцию сигнала в южных и полярных широтах - там, где трансляция GPS-сигнала оказывается крайне затруднена или невозможна.

Несмотря на ряд серьезных практических преимуществ ГЛОНАСС, реальная ситуация на рынке услуг заставляет большинство пользователь все же пока отдавать предпочтение GPS. В первую очередь это связано:

• со значительно более доступной стоимостью коммуникаторов c поддержкой GPS;
• полнейшим отсутствием (в отличие от GPS-сервисов) программных продуктов, позволяющих устанавливать ГЛОНАСС на коммуникаторах и смартфонах;
• внушительному потенциалу программного обеспечения для GPS-систем навигации, позволяющему значительно расширить спектр применения последних.

GPS способна обеспечить доступ к полезным данным в любом месте земного шара (за исключением области Приполярья) практически в любых погодных условиях.

Автомобильный или туристический навигатор уже давно стал привычным делом для многих водителей и любителей путешествовать. О том, какие преимущества получает человек, у которого на переднем стекле установлен навигатор, говорить не нужно - это умное устройство само подберет оптимальный маршрут, подскажет когда начинать перестраиваться и сколько осталось до ближайшего перекрестка. Благодаря такой функции, как «Дорожные пробки», вы всегда будете знать, по каким маршрутам в данный момент лучше не ехать.

Говорить можно еще много обо всех этих умных опциях, однако мало кто задумывается над тем, какой труд прошлось проделать конструкторским бюро, полчищам инженеров и ученых, чтобы вы могли спокойно ездить даже по незнакомым вам маршрутам и городам.

ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система

На сегодняшний день есть две глобальных навигационных системы - ГЛОНАСС и GPS. Еще можно вспомнить китайскую региональную навигационную систему Бэйдоу, которая покрывает территорию Китая, Монголии, Индии, Кореи и часть Юго-Восточной Азии, также она немного затрагивает Русский Дальний Восток, Японию, Пакистан и Казахстан.

Готовится к запуску еще ряд региональных программ, например более продвинутая китайская «Компасс» или европейская «Галилео».

Уже давно ведется спор о том, какая из этих систем более точная и надежная. . В принципе, все эти системы геопозиционирования работают по одной схеме, благодаря эффекту допплеровского смещения, а качество приема и точность показаний зависят от количества спутников на орбите.

Мы можем сказать только одно - американская GPS покрывает весь Земной Шар, потому что на орбите на 2013 год был 31 навигационный спутник.

ГЛОНАСС стремится к такому показателю и планируется, что между 2015-2017 годами догонит его и по точности и по площади покрытия. На данный же момент численность спутников составляет 24 штуки, при этом их орбиты ориентированы таким образом, чтобы сигнал лучше всего принимался на территории России.

Планируется также, что ГЛОНАСС и Бэйдоу объединят свои усилия, то есть площадь покрытия и точность увеличатся в разы.

История ГЛОНАСС

Началом создания проекта глобальных систем геопозиционирования можно считать 1957 год, когда был запущен первый советский Спутник. Правда, открытие принадлежит американцам, поскольку они следили за сигналами со Спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Допплера можно определить, приближается ли к вам спутник или отдаляется.

Обычно данный эффект описывают так: достаточно просто определить по звуку свистка поезда, в каком направлении он движется - к вам или от вас.

Эффект Допплера в свое время помог известному астроному Эдвину Хабблу установить, что наша Вселенная состоит из сотен миллиардов галактик, которые разлетаются в разные стороны и Вселенная расширяется.

Понятно, что размышлять о судьбах Вселенной, Большом Взрыве и братьях по разуму очень занимательно, но открытием воспользовались военные желающие создать систему, которая помогла бы определить точное местонахождения любого объекта на поверхности Земли. И американцы и Советы принялись вести исследования в данном направлении. Программа США начала реализоваться в 60-х, в то же время, что и в СССР.

Первый спутник будущей системы ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а к 1991 году это уже была вполне работоспособная система, насчитывающая 12 спутников. Но с падением СССР проект отошел на второй план и на орбите в рабочем состоянии оставалось всего 6 космических аппаратов.

Ну и только с приходом Путина было решено возобновить программу, а в 2007 году уже можно было покупать навигаторы, которые работают как с GPS так и с ГЛОНАСС. В принципе Россия не сильно отстала от США, так как GPS-навигаторы для авто появились только в 2005 году. Хотя военные обеих стран пользовались системами геопозиционирования задолго до того, как они стали доступны широкой общественности.

Следующим шагом в глобальном продвижении ГЛОНАСС стало появление смартфонов, работающих с этой системой. Начиная с iPhone 4S Apple сделала доступной ГЛОНАСС для покупателей. Поддерживают ГЛОНАСС Samsung Galaxy, HTC One, Nokia (а потом и Microsoft Lumia), Sony Xperia, LG, Huawei, Xiaomi, Garmin eTrex и десятки других.

Что точнее GPS или ГЛОНАСС?

Если речь идет о сверх точном определении координат, то обе системы не являются идеальными. Результаты многочисленных испытаний в разных уголках Планеты, показывают, что ГЛОНАСС все же отстает:

• ГЛОНАСС - погрешность составляет 3-6 метра;
• GPS - 2-4 метра.

Однако, для автолюбителей такие ошибки не являются слишком уж важными, к тому же навигаторы, предлагаемые в России и Европе, работают с обеими системами, из-за чего их точность возрастает, поскольку одновременно в зоне видимости приемника находится от 12-ти до 15-ти космических аппаратов.

Точность же во многом зависит от количества каналов приема самого навигатора, которое в идеале должно составлять 60, при этом устройство может одновременно ловить сигнал от 12 спутников, плюс сигналы отражающиеся от различных поверхностей.

То есть говорить о том, какая система точнее, сегодня не так уж и важно. Но не стоит забывать о том, что данными системами пользуются военные, и поэтому и в GPS и в ГЛОНАСС предусмотрено 2 уровня сигналов:

• общедоступные, рассчитанные на гражданских пользователей;
• шифрованные - используются для нужд армии.

Еще один важный момент. Благодаря тому, что ГЛОНАСС спутники находятся на более высоких орбитах, более точное местоопределение получается в северных широтах. Данный факт был подтвержден в Швеции: «Из-за высокой орбиты наше оборудование лучше видит ГЛОНАСС, чем GPS».

Ну и кроме всего прочего, правительство Российской Федерации поддерживает свою систему геопозиционирования тем, что требует устанавливать модули ГЛОНАСС на пассажирские транспортные средства.

Планируется, что к 2017 году ГЛОНАСС догонит своего американского конкурента по точности. Количество спутников будет доведено до 32, что сделает данную систему полностью автономной в любой точке Земного шара. Добиться большей точности можно будет за счет запуска спутников на высокоэллиптические и геосинхронные орбиты.

К 2020 году погрешность в определении координат будет составлять всего лишь 80 сантиметров. Понятно, что такая точность водителям абсолютно не нужна, зато военные получат массу преимуществ перед своим воображаемым противником.

Хочется надеяться, что ГЛОНАСС, как GPS и все остальные подобные системы будут использоваться только в мирных целях.

Видео, о том как работают навигационные системы, в том числе и ГЛОНАСС.

Необходимость определения своего местоположения, а еще лучше точных географических координат, во все времена была первоочередной задачей мореплавателей, путешественников и военных. Именно для решения военных задач во второй половине 20 века и была задумана глобальная навигационная система. Зародилась идея в США, где уже в 1964 году появилась первая позиционирования, предназначенная для военных целей. В СССР своя система определения местоположения была запущена в 1967 году.

Первые системы были очень несовершенны, точность определения координат была слабой, навигационные спутники часто выходили из строя и свое местоположение можно было узнать примерно раз в 2 часа. Но сама идея была прорывной, и именно на этих первых системах отрабатывалось и доводилось до ума то, что сегодня мы называем навигационной системой определения местоположения. Давайте разберемся, как же работает спутниковая система навигации.

Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС

Физические принципы работы навигационной системы

Общий алгоритм работы системы GPS и ГЛОНАСС

1. Основная идея;
2. Определение расстояния до спутников;
3. Синхронизация по времени;
4. Определение положения спутника на орбите;
5. Корректировка погрешностей.

Основная идея

С появлением искусственных спутников Земли и установкой на них передатчиков радиосигнала гигагерцовой частоты, появилась возможность принимать от них этот сигнал над достаточно обширной территорией. Если измерить точное расстояние до 3-х спутников, то при совмещении 3-х сфер, радиус которых и есть расстояние до спутников, они пересекутся в единственной точке, которая и будет вашим местоположением. Дальнейшие расчеты показали, что для гарантированного наблюдения 3-х спутников с территории любой точки Земли, необходимо запустить 18 передатчиков. А для дополнительного определения положения над поверхностью Земли и точной корректировки времени необходимы данные еще с одного спутника. Соответственно 24 спутника будет достаточно для полного определения координат в любой точке земного шара.

Ударная сила №115: «Космический навигатор»

Определение расстояния до спутников

Из школы мы знаем, что для определения расстояния необходимо скорость объекта умножить на время. Соответственно, зная скорость распространения сигнала, а в вакууме это скорость света, и время его прохождения можно легко рассчитать путь, те есть расстояние до спутника. Чтобы определить промежуток времени необходимо знать точное время подачи и приема сигнала. Для этого на спутнике устанавливаются очень точные атомные часы, и время подачи сигнала записывается и передается отдельным пакетом данных.

На земле навигационный приемник, принимая сигнал, засекает время приема и отнимает от него полученное отдельно время подачи сигнала. Полученный отрезок времени и будет временем прохождения сигнала от спутника до приемника. После умножения данного временного отрезка на скорость света и получится искомое расстояние до спутника.

Система GPS слежения

Синхронизация по времени

Итак, для определения местоположения теоретически необходимо провести измерения расстояний до трех любых спутников. Но в бытовых приемниках навигационных сигналов стоят обычные кварцевые часы, имеющие определенную погрешность. Поэтому для того, чтобы на практике правильно определить местоположение необходимо произвести еще одно измерение до четвертого спутника. Имея четыре измерения расстояний можно с помощью специально созданной компьютерной программы синхронизировать время спутников со временем приемника и определить точное местоположение.

Определение положения спутника на орбите

При проведении расчетов очень важно знать точное место спутника в момент подачи радиосигнала. С помощью компьютеров производится расчет точного положения спутника на орбите через заданные очень маленькие промежутки времени. Эта информация заноситься в память компьютера установленного на спутнике и передается в излучаемом им сигнале.

Корректировка погрешностей

• При любых измерениях существует вероятность ошибок . Источниками ошибок в нашем случае являются преимущественно два фактора: погрешности измерения времени и прохождения радиосигнала через ионосферу Земли.
• Погрешности при измерении времени будут всегда . Просто невозможно сделать часы, сохраняющие точность на протяжении всего времени эксплуатации – все равно понадобиться корректировка набегающей погрешности измерения.
• Еще одно узкое место при расчете расстояния – наличие у Земли ионосферы. Через ионосферу по законам физики радиосигнал не может распространяться со скоростью света, поэтому формула определения пути на этом участке будет рассчитываться неправильно.
• Для того чтобы минимизировать влияние этих факторов вводят так называемые корректировочные коэффициенты , с помощью которых удается значительно улучшить точность вычисления местоположения.

Существующие навигационные системы

В настоящее время есть всего две полностью глобальные системы – GPS и ГЛОНАСС. Физические принципы работы их полностью идентичны, а системы различаются только высотой орбит эшелонов спутников и частотами используемых радиосигналов, кроме того обе системы оснащены дополнительным более точным кодированным радиосигналом используемым только для военных целей. Навигационная система – это комплекс высокотехнологичных, дорогих и очень сложных в обслуживании устройств, располагают которыми пока только США и Россия.

Что такое ГЛОНАСС?

Что такое GPS?

Проведем небольшой обзор этих двух систем.

ГЛОНАСС и GPS - это системы глобального спутникового позиционирования, которые позволяют определить точные координаты в трех измерениях любого объекта на поверхности (или вблизи поверхности) Земли. На данный момент это две основные и работающие системы в мире. Какие же у них различия и что общего?

Что такое GPS?

В английском языке аббревиатура GPS обозначает «Global Positioning System» и переводится как «глобальная система позиционирования» - американская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны США.

Что такое ГЛОНАСС?

Аббревиатура ГЛОНАСС расшифровывается как «ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система» - сначала советская, а затем российская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Когда появилась идея спутниковой навигации?

Спутниковая навигация в виде идеи зародилась еще в те времена, когда СССР запустил в космос первый искусственный спутник Земли, т.е. в тысяча девятьсот пятидесятые годы. Наблюдая и изучая сигналы, исходящие от этого спутника ученые обнаружили, что используя их особым образом и зная координаты спутника можно с большой точностью определять свои координаты. После этого открытия военные ведомства США и СССР принялись вести разработки в области создания глобальной навигационной спутниковой системы.

Система GPS

Первый тестовый спутник системы GPS был выведен на орбиту Соединенными Штатами лишь через 20 лет после появления идеи спутниковой навигации, в 1974 году. Еще через 20 лет система GPS была доукомплектована необходимым количеством спутников (24 штуки) и в таком виде была принята на вооружение. После этого стало возможным использование системы GPS в военных целях для точного наведения ракет на наземные и воздушные цели.

Система ГЛОНАСС

Советский Союз свой первый спутник ГЛОНАСС вывел на орбиту лишь в 1982 году, но уже в декабре 1995 года система ГЛОНАСС была доведена до полного штатного количества из 24 спутников.

Официально, обе системы навигации (GPS в США, ГЛОНАСС в РФ) были приняты в эксплуатацию в 1993 году!

К сожалению, в дальнейшем финансирование системы ГЛОНАСС прекратилось и в 2001 году на орбите в рабочем состоянии осталось лишь шесть спутников. В 2001 году в России была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». Согласно этой программе к концу 2009 года система ГЛОНАСС должна была быть полностью укомплектована 24 спутниками и функционировать в полноценном штатном состоянии.

Что общего в системах GPS и ГЛОНАСС?

Несмотря на то, что изначально системы навигации разрабатывались для военных целей, в наше время GPS и ГЛОНАСС активно используются в мирных целях. Область применения спутниковых систем постоянно расширяется, а технологии стремительно развиваются. Уже повсюду, в обычных магазинах продаются навигаторы для автомобилей, для людей, для животных, приемники сигналов GPS встраивают в мобильные телефоны, КПК. Любой человек может видеть свое местонахождение на карте, скорость передвижения, легко и быстро прокладывать маршруты и находить на карте необходимые адреса, или, установив приемники спутниковых систем навигации на другие подвижные объекты, следить за всеми передвижениями этих объектов.

Принцип измерения координат российской системы ГЛОНАСС аналогичен американской системе GPS.

Чем отличаются ГЛОНАСС и GPS?

Главным отличием двух систем спутниковой навигации является государственная принадлежность. Причем условия получения сигналов системы GPS не являются на 100% гарантированными и полностью зависят от политики министерства обороны США.

В техническом смысле основным отличием ГЛОНАСС от GPS является то, что спутники ГЛОНАСС в своем движении по орбите не синхронизированы с вращением Земли. Это обеспечивает им большую стабильность и не требует корректировок в течение всего срока эксплуатации каждого спутника. Тем не менее, спутники ГЛОНАСС имеют гораздо более короткий срок службы.

Для определения местоположения в настоящее время наиболее широкое применение нашли глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): российская ГЛОНАСС и американская GPS .

В первую очередь это связано с доступностью и миниатюризацией устройств навигации. Персональный навигатор сегодня стал таким же обыденным устройством, как мобильный телефон или компьютер.

Кроме того, ГНСС обладают высокой точностью определения навигационных параметров и имеют глобальное покрытие.

Принцип работы ГНСС

Принцип определения местоположения потребителя довольно прост, как все гениальное. Зная местоположения спутников (информация содержится в навигационном сигнале спутника) и расстояние до них можно путем несложных алгебраических вычислений однозначно определить свое местоположение в некоторой трехмерной системе координат. В идеале, чтобы получить три координаты потребителя, достаточно знать информацию о трех навигационных космических аппаратах (НКА).

Однако, не все так просто оказывается на практике. Все дело в том, что в ГНСС реализован принцип беззапросных измерений дальности, т.е. определяется время прохождения информационного сигнала от спутника до потребителя. А для того, чтобы это время определить с высокой точностью необходимо синхронизировать часы спутника и навигационной аппаратуры потребителя (НАП). В связи с этим для нахождения координат и рассогласования часов НАП и ГНСС необходимо знать параметры не менее чем о 4-х спутниках.

При создании ГНСС в первую очередь учитывались такие требования, как глобальность, всепогодность, непрерывность и круглосуточность, помехозащищенность, компактность, доступность. Обеспечить выполнение всех перечисленных требований, а также достижение высоких эксплуатационных характеристик позволяет совместное функционирование трех основных сегментов: космического; наземного; пользовательского.

Узнайте больше Актуальную информацию о состоянии группировки ГЛОНАСС можно узнать на сайте Информационно-аналитического центра координатно-временного и навигационного обеспечения (ИАЦ КВНО) ФГУП ЦНИИмаш: http://glonass-iac.ru/GLONASS/ .

Космический сегмент ГЛОНАСС представляет собой орбитальную группировку из 24 НКА, расположенных в трех плоскостях по 8 спутников в каждой с высотой орбиты 19100 км и наклонением - 64,8°. Кроме того, в каждой плоскости должен находиться один резервный спутник. НКА излучают радиосигналы на собственных частотах.

Наземный сегмент состоит из космодрома, командно-измерительного комплекса и центра управления.

Ну и наконец сегмент, представляющий наибольший интерес потребителю, – пользовательский, в который входит НАП.

ГНСС сегодня

Современные отечественные приемники гражданского применения, устанавливаемые на НАП транспортных средств, работают по сигналам ГЛОНАСС (L1-диапазон, СТ-код) и GPS (L1, С/А-код) и позволяют определять (по уровню вероятности 0,95 при значении геометрического фактора не более 3):

координаты в плане с погрешностью не более 10 м и по высоте – не более 15 м;

плановую скорость с погрешностью не более 0,15 м/с.

На сегодняшний момент применение односистемных приемников ГНСС в НАП (только ГЛОНАСС или только GPS) практически сошло на нет. В первую очередь это связано с тем, что в условиях современного городского ландшафта неизбежно затенение радиовидимости спутников. Примером является работа НАП вблизи стены дома, когда физически половина небосвода закрыта. В конечном счете это приводит к тому, что возможности по точному позиционированию объекта снижаются, а иногда становится невозможным. Использование двух навигационных систем улучшает и расширяет возможности для потребителей.

В таких условиях использование ГЛОНАСС совместно с GPS существенно повышает надежность и достоверность работы НАП по определению координат.