Реклама на портале

Gps и глонасс: что это, как работает и в чем разница. Что выбрать: gps или глонасс? Жпс глонасс

На сегодняшний день навигация – вещь нужная и весьма популярная. За последние несколько лет навигационные чипы в мобильных гаджетах и другой электронике стали привычным делом. Существуют GPS и ГЛОНАСС навигационные системы, давайте разберемся, что представляет собой каждая из них и изучим принципы работы.

Что такое GPS?

GPS (расшифровывается как Global Positioning System, система глобального позиционирования) – система спутниковой навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Данная система позволяет определять местоположение и скорость объектов практически в любой точке планеты (за исключением приполярных областей).

Разработка GPS началась в 1950-е годы прошлого века для Министерства обороны США, однако сейчас технология используется не только военными, но и в повседневной жизни. В то время СССР запустил первый искусственный спутник Земли и американские ученые, наблюдавшие за этим событием, заметили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала возрастает при приближении спутника и снижается при увеличении его дистанции. Они пришли к выводу, что при наличии информации о своих точных координатах на Земле можно измерить положение и скорость спутника, а зная, где находится спутник – вычислить собственную скорость и координаты.

Система GPS состоит из искусственных спутников, которые вращаются на средней орбите Земли (спутниковая система NAVSTAR, разработанная в США), и наземных станций мониторинга, объединенных в общую сеть. Спутники непрерывно передают на Землю навигационный сигнал, включающий «псевдослучайный код», данные эфемерид (прогнозируемые координаты и параметры движения спутника на определенный момент времени) и альманаха (данные для вычисления приблизительного местоположения спутника). Этот сигнал принимают абонентские GPS-устройства, которые на основании полученных сведений вычисляют свою геопозицию.

Один из недостатков технологии GPS заключается в низкой скорости передачи данных (до 50 бит/с) из-за чего процесс вычисления координат может занимать несколько минут. Кроме того, система GPS неэффективна для определения координат устройства, которое находится в помещении, на территории, окруженной высокими строениями, в лесах и парках, туннелях и т.д.

Что такое A-GPS?

Для устранения этих проблем и получения возможности определять координаты любого мобильного устройства была создана технология A-GPS (Assisted GPS). При ее использовании GPS-приемник получает данные не со спутников, а из внешних источников (как правило, это сети сотовых операторов), причем распознавание сигнала A-GPS занимает менее 2 секунд.

Авторами идеи создания A-GPS стали инженеры Джими Сеннота и Ральф Тейлор, которые в 1981 году запатентовали свою разработку. Система была представлена в октябре 2001 года в США, где начала использоваться по сети службы спасения 911.

A-GPS состоит из встроенного GPS приемника и сетевых компонентов мобильной сети. Для A-GPS предусмотрено два режима: A-GPS Online (основной) и A-GPS Offline (вспомогательный). Первый позволяет получить информацию о координатах спутников при необходимости быстрого определения геопозиции, если GPS-приемник не функционировал более 2 часов. Второй режим ускоряет время «горячего» и «холодного» старта GPS-приемника. A-GPS-приемник обновляет альманах, эфемериды и список видимых спутников.

Несмотря на свою эффективность, технология A-GPS имеет ряд минусов, в частности, функция ускоренного старта не работает вне зоны действия сотовой сети. Некоторые приемники с поддержкой A-GPS объединены с радиомодулем GSM и не могут стартовать, если последний отключен. При этом A-GPS приемник может стартовать без покрытия GSM (GPRS). При старте модули A-GPS потребляют мало трафика (5-7 КБ), но в случае потери сигнала потребуется повторная синхронизация, что повлечет за собой повышенные энергозатраты, особенно при нахождении в роуминге.

Что такое ГЛОНАСС?

В настоящее время в мире существуют две спутниковые навигационные системы — описанная выше GPS и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). По сути последняя является российским вариантом GPS. По аналогии с GPS ГЛОНАСС определяет трехмерные координаты (широта, высота, долгота) по всему миру.

Начало разработки на то время советской спутниковой системы датируется декабрем 1976 года. В октябре 1982 года с выводом на орбиту ГЛОНАСС спутника «Ураган» началось первое тестирование системы. Изначально она задумывалась для военных нужд, но впоследствии стала использоваться и для гражданских целей. Сейчас ГЛОНАСС приемниками оснащаются гражданские/военные корабли и самолеты, общественный транспорт, автомобили экстренных служб и т.д. Сигналы ГЛОНАСС принимают не только GPS-приемники, бортовые навигаторы, но и мобильные телефоны. Данные о положении, скорости и направлении движения через сеть GSM-оператора отправляются на сервер сбора данных.

Гражданское применение системы ГЛОНАСС стартовало в 1993 году, в 1995 году на орбиту было запущено 24 спутника, а в 2010 году их число возросло до 26. На разработку системы в период с 2012 по 2020 годы российское правительство выделило 320 млрд рублей, направленных в том числе на создание 15 спутников «Глонасс-М» и 22 спутников «Глонасс-К». Работа над системой ГЛОНАСС была завершена в декабре 2015 года.

Спутники ГЛОНАСС вращаются на высоте 19,1 тыс. км над Землей. Приемники ГЛОНАСС позволяют определить горизонтальные (с точностью 50-70 м) и вертикальные координаты (70 м), вектор скорости (с точностью 15 см/сек), время с точностью 0,7 мкс. Система использует два типа навигационных сигналов – открытые с обычной точностью и защищенные с повышенной точностью. Первые могут принимать любые приемники ГЛОНАСС, а вторые – исключительно авторизованные пользователи, к примеру, оборудование ВС РФ.

Что такое ЭРА-ГЛОНАСС?

«ЭРА-ГЛОНАСС» — российская система экстренного реагирования при авариях и других чрезвычайных ситуациях на дороге, позволяющая в кратчайшие сроки проинформировать о происшествии службы экстренного реагирования. «ЭРА-ГЛОНАСС» работает на базе спутниковой системы ГЛОНАСС. В эксплуатацию комплекс был введен в 2015 году, а с 1 января 2017 года автопроизводители обязаны устанавливать данную систему на свои транспортные средства, выходящие на российский рынок. Данная система сокращает время реагирования при авариях и чрезвычайных ситуациях, что приводит к снижению числа смертельных исходов, травматизма на дорогах и повышению грузовых/пассажирских перевозок.

«ЭРА-ГЛОНАСС» включает в себя два компонента: инфраструктуру оператора (навигационно-информационная платформа, сеть передачи данных, сеть мобильного оператора) и устройства, которыми оборудуются транспортные средства. В случае дорожно-транспортного происшествия (система распознает различные типы столкновения – лобовое, боковое или удар сзади), устройство определяет степень тяжести аварии, местоположение пострадавшего автомобиля на основе данных спутников систем ГЛОНАСС и/или GPS, устанавливает связь с системой «ЭРА-ГЛОНАСС» и передает информацию об аварии. Сигнал обладает приоритетным статусом и передается через любого мобильного оператора с максимально сильным в данном месте сигналом. При этом, если сеть перегружена телефонными звонками, они могут быть прерваны для передачи сигнала.

) предназначен для определения текущих координат, высоты, скорости и времени по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, GPS и SBAS (WAAS, EGNOS). Легко встраивается в навигационные комплексы и системы.

Область применения

Навигационный приемник может применяться в высокоточных навигационных системах, в том числе в системах с высокой динамикой объектов, в системах управления движением железнодорожного, автомобильного, воздушного, морского, речного и других видов транспорта.

Модуль приемника выполнен в виде печатной платы с односторонним расположением элементов и контактными площадками под поверхностный монтаж.

Технические характеристики

Навигационные характеристики

Наименование

Значение

Время первого определения навигационных параметров, с, не более:
— «горячий» старт 5
— «теплый» старт 35
— «холодный» старт 40
Время восстановления слежения за сигналами рабочего созвездия НКА после потери слежения при времени потери, с, не более:
— до 120 с 5
— до 10 мин 10
Темп определения навигационных параметров, Гц 1—10
Погрешность формирования секундной метки времени относительно единого времени UTC, мкс, не более 0,1
Точность определения географических координат с вероятностью 0,95, м, не более:
— по системе ГЛОНАСС 20
— по системе GPS 15
— по системам ГЛОНАСС/GPS 15
— в дифференциальном режиме 3

Электрические характеристики и конструктив


Введение в систему ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) это спутниковая радионавигационная система, позволяющая неограниченному числу потребителей в любой точке Земли и воздушного пространства независимо от метеоусловий определять с высокой точностью свои координаты, скорость движения и точное время. Области использования системы ГЛОНАСС обширны и разнообразны. Среди них можно выделить следующие:


  1. Организация воздушного и морского движения, повышение безопасности полетов и мореплавания.

  2. Геодезия и картография, составление земельных и лесных кадастров, строительство дорог, прокладка коммуникаций и трубопроводов контроль сейсмически опасных районов, геология и разведка полезных ископаемых, разработка нефтяных и газовых месторождений на участках прибрежных шельфов, определение параметров вращения Земли и т. д.

  3. Мониторинг наземного транспорта, организация и управление движением грузов, междугородним железнодорожным и автотранспортом, создание «интеллектуальных» транспортных средств.

  4. Синхронизация шкал времени удаленных друг от друга объектов.

  5. Экологический мониторинг, организация поисково-спасательных работ.

Характеристики системы ГЛОНАСС


  • Точность навигационных определений по положению, м (99,7% вероятности) — 50—70.

  • Точность определения составляющих вектора скорости потребителя, м/с (99,7% вероятности) — не хуже 0,15.

  • Точность привязки эфемеридного времени к всемирному гринвичскому (99,7% вероятности) — 1 мкс.

  • Время, необходимое для проведения: — первого навигационного определения — от 1 до 3 минут; последующих навигационных определений — от 1 до 10 c.

Первый спутник ГЛОНАСС (Космос 1413) был запущен 12 октября 1982 года. Официально система ГЛОНАСС введена в действие 24 сентября 1993 по распоряжению Президента Российской Федерации.

Как работает система ГЛОНАСС

Для определения трехмерных координат, скорости и времени потребитель использует навигационные сигналы, постоянно передаваемые спутниками ГЛОНАСС. Каждый спутник ГЛОНАСС передает навигационные радиосигналы двух типов: стандартной точности (СТ) и высокой точности (ВТ). Сигнал СТ передается в диапазоне L с использованием принципа частотного разделения каналов. Это означает, что каждый спутник ГЛОНАСС передает навигационный сигнал на собственной несущей частоте: L1=1602 MHz + 0,5625n MГц, где n — номер частотного канала (n=0,1.2…). Спутники, которые находятся в противоположных точках плоскости орбиты (антиподальные спутники), могут передавать навигационные сигналы на одной и той же несущей. Одновременное нахождение антиподальных спутников в зоне видимости отдельного потребителя невозможно. Навигационный приемник потребителя автоматически принимает сигналы не менее чем от 4 спутников ГЛОНАСС и проводит измерения псевдодальностей до этих спутников и скоростей их изменения. Одновременно с проведением измерений из сигналов спутников выделяются и обрабатываются навигационные сообщения. В результате совместной обработки в процессоре приемника измерений и навигационных сообщений вычисляются три координаты потребителя, три составляющих скорости его движения и точное время.

Состав системы ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС включает в себя три подсистемы (сегмента): подсистему космических аппаратов (орбитальный сегмент), наземный комплекс управления (наземный сегмент) и подсистему (сегмент) потребителей.

Подсистема космических аппаратов

Полностью развернутая орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 космических аппаратов, размещенных в трех орбитальных плоскостях. Плоскости разнесены по долготе на 120 градусов и сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15 градусов. В каждой плоскости размещены по восемь спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45 градусов. Спутники расположены на круговых орбитах с наклонением 64,8 градуса и периодом обращения, примерно равным 11 часов 15 минут. Такая конфигурация орбитальной группировки позволяет обеспечивать постоянное присутствие как минимум 5 спутников с приемлемой геометрией созвездия в зоне видимости потребителя, находящегося в любой точке Земли и околоземного пространства.

В настоящее время орбитальная подсистема ГЛОНАСС состоит из 24 работающих спутников и одного резервного. При этом обеспечивается непрерывное навигационное поле с постоянным нахождением 5…8 спутников ГЛОНАСС в зоне видимости потребителя. Характеристики наблюдаемости спутников ГЛОНАСС в северных широтах (> 50 градусов) лучше, чем характеристики наблюдаемости спутников GPS.

Спутник ГЛОНАСС

Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется Военно-космическими силами России с космодрома Байконур. Носитель тяжелого класса «ПРОТОН» выводит одновременно три спутника. В состав бортовой аппаратуры спутника ГЛОНАСС входят навигационный комплекс, комплекс управления, системы ориентации, стабилизации, коррекции и т. д. Каждый спутник оснащен цезиевым стандартом времени/частоты, предназначенным для формирования высокостабильной бортовой шкалы времени и синхронизации всех процессов в бортовой аппаратуре. Бортовой компьютер обрабатывает, поступающую из НКУ навигационную информацию, и преобразовывает ее в формат навигационного сообщения для потребителей.

Навигационное сообщение

Навигационное сообщение передается в составе навигационного радиосигнала и включает в себя:


  • спутниковые эфемериды, частотно-временные поправки к бортовой шкале времени относительно системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU);

  • метки времени;

  • альманах системы.

Эфемериды представляют собой точные координаты (x,y,z), и их первые и вторые производные, которые описывают положение спутника в геоцентрической системе координат ПЗ-90. Альманах содержит информацию о всех спутниках системы, а именно: кеплеровы элементы, грубые значения временных поправок к бортовому времени относительно системного и признаки исправности/неисправности каждого спутника.

Наземный комплекс управления

Управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления (НКУ). Он включает в себя Центр управления системой(ЦУС) (г. Голицыно-2, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по всей территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации о всех спутниках системы и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации. Траекторная информация периодически калибруется с помощью лазерных дальномеров (кванто-оптических станций) из состава НКУ. Для этого спутники ГЛОНАСС оснащены лазерными отражателями. Для правильного функционирования системы очень важна синхронизация всех процессов. Для этого в составе НКУ предусмотрен Центральный синхронизатор (ЦC), который представляет собой высокоточный водородный стандарт времени/частоты. ЦС синхронизирован с Национальным эталоном времени/частоты UTC(SU).

Разработка дифференциальных подсистем ГЛОНАСС в России

Вопросами исследования дифференциального режима навигации для системы ГЛОНАСС в России активно начали заниматься начиная с конца 70-хгодов, практически параллельно с разработкой самой системы ГЛОНАСС. В этих работах приняли активное участие ученые Центрального научно-исследовательского института Военно-космических сил, Российского научно-исследовательского института космического приборостроения, Российского института радионавигации и времени, научно-производственного объединения прикладной механики. Однако в силу различных объективных причин практическая реализация дифференциального режима навигации в России в виде дифференциальных подсистем затянулась.

Активизация работ по дифференциальным режимам навигации в России произошла в 1990—1991 годах. Необходимо отметить, что зоны действия некоторых зарубежных дифференциальных сетей GPS частично захватывают территорию России и акватории омывающих ее морей. Кроме того, отдельные зарубежные фирмы проявляют серьезный интерес к освоению российского рынка потребителей и развертыванию своих дифференциальных сетей на территории России. В этих условиях, возрос интерес российских потребителей и производителей навигационной аппаратуры к дифференциальным режимам навигации. Поэтому были активно начаты работы по созданию дифференциальных станций различного назначения.

В настоящее время в России существуют планы в создании локальных и региональных дифференциальных подсистем, обслуживающие самолеты и морские суда. Учитывая их ведомственную специализацию, обусловленную в основном выбранными каналами доведения корректирующих поправок до потребителей, использование этих систем другим более широким кругом потребителей, проблематично. Поэтому, следует ожидать в дальнейшем появления намерений о создании и других дифференциальных подсистем в интересах, например, навигационного обеспечения наземных транспортных перевозок. Таким образом, в России можно отметить тенденцию к созданию сети ведомственных дифференциальных подсистем, ориентированных на обслуживание потребителей определенного класса. По принципу формирования корректирующей информации эти системы являются локальными и их рабочие зоны не перекрывают территорию России. Такое развитие дифференциальных подсистем по пути простого арифметического наращивания их числа трудно назвать экономически оправданным. Поэтому, после проведенных исследований был предложен другой путь развития дифференциальных подсистем.

Центральным научно-исследовательскими нститутом Военно-космических сил совместно с Координационным научно-информационным центром в 1994 году был разработан и предложен вариант построения расширенной дифференциальной подсистемы на территории России с использованием инфраструктуры российского наземного комплекса управления космическими аппаратами. Эта широкозонная дифференциальная подсистема может обслуживать практически всех основных потребителей системы ГЛОНАСС на территории России. Принципы функционирования подобной расширенной системы и алгоритмы формирования корректирующей информации были ранее разработаны и практически проверены с использованием измерительной информации, получаемой средствами наземного комплекса управления системой ГЛОНАСС, а также в процессе совместных экспериментальных работ ЦНИИ ВКС, КНИЦ ВКС и Российской морской навигационно-геодезической компании в районах Дальнего Востока и Юго-Восточной Азии. В результате анализа состояния с развитием дифференциальных подсистем в России и за рубежом в 1994 году стало ясно, что разобщенное развитие локальных и широкозонной дифференциальных подсистем не отвечает современным требованиям. Для координации развития отдельных дифференциальных подсистем в России и с целью их последующего объединения в единую (государственную) дифференциальную систему в 1994 году было предложено разработать Концепцию построения дифференциальных подсистем системы ГЛОНАСС, что было отражено в межведомственном решении «О проведении работ по созданию дифференциальных подсистем различных уровней и системы контроля целостности». Такая концепция была совместно разработана Военно-космическимисилами и Министерством транспорта и утверждена в марте 1996 года.

Краткое описание концепции единой дифференциальной системы

В концепции определено, что Российская дифференциальная система должна иметь трехуровневую иерархическую структуру, включающую широко-зонные ДПС, сеть региональных ДПС, локальные ДПС. В концепции отмечено, каждый уровень РДС представляет самостоятельную подсистему, способную автономно решать свои задачи по назначению. В совокупности они должны представлять единую систему, обеспечивающую любых потребителей точной навигационной информацией. Первый уровень структуры РДС составляет широкозонная ДПС. Она выполняет функции: — сбора и обработки информации станций наблюдения, ККС второго и третьего уровней с целью оперативного уточнения параметров региональных моделей ионосферы, эфемерид и ЧВП КА ГЛОНАСС, а также информации о целостности системы; — передачи необходимой информации широкозонной ДПС на ККС второго и третьего уровней или непосредственно потребителям; — взаимодействие со средствами НКУ ГЛОНАСС (Центром управления системой, сектором контроля навигационного поля). Требуемое количество ККС1-го уровня — 3…5. Каждая ККС1-го уровня является центром широкозонной ДПС. Точность определения координат по сигналам ККС1-го уровня составляет 5—10 м на удалениях от ККС 1500—2000 км. По нашему мнению, создание сети ККС1-го уровня возможно на базе существующей инфраструктуры российского наземного комплекса управления космическими аппаратами, включающую пункты управления космическими аппаратами, систему обмена данными, вычислительные средства. В пользу этого говорят следующие обстоятельства: — измерительные пункты и наземные объекты российского комплекса управления космическими аппаратами рассредоточены по территории всей России, что позволит создать в варианте расширенной дифференциальной подсистемы дифференциальное поле КНС ГЛОНАСС, перекрывающее территорию России и близлежащих стран; — в комплексе уже существует развитая инфраструктура, система сбора и обработки навигационной информации в интересах управления КА различного назначения; — при функционировании широкозональной ДПС наиболее просто организовать взаимодействие НКУ системы ГЛОНАСС и средств ДПС с целью формирования как корректирующей дифференциальной информации, так и сигналов предупреждения о нарушении целостности. При этом, в интересах широкозонной ДПС может быть также использована информация региональных и локальных ДПС.

Второй уровень составляют региональные (специализированные) ДПС, которые создаются для охвата определенных районов, экономически наиболее развитых, с большим количеством потребителей или обслуживания отдельных классов потребителей. Районами развертывания региональных ДПС могут являться области с интенсивным движением (воздушным, морским, автомобильным, железнодорожным), районы со сложными метеоро-логическими условиями, районы изыскательских работ и др. Точность определений координат по сигналам ККС2-го уровня — 3…10 метров на удалениях от ККС до 500 км.

Третий уровень — это локальные ДПС, развертываемые в отдельных районах для решения частных экономических, научных и оборонных задач. К локальным ДПС могут быть отнесены также системы для проведения специальных (эпизодических) ведомственных работ, в том числе системы с постпроцессорной обработкой наблюдений. Локальные ДПС могут быть прецизионными и обеспечивать дециметровую точность пространственных определений на расстояниях до нескольких десятков километров. Они также могут создаваться в мобильных вариантах исполнения. В состав ДПС3-го уровня возможно включение псевдоспутников.

Объединенное использование GPS и ГЛОНАСС

Характеристики GPS и ГЛОНАСС

Параметры

ГЛОНАСС

Число спутников 24 24
Число орбитальных плоскостей 6 3
Орбитальный наклон, градусов 55 65,8
Орбитальный радиус, км 26,560 25,510
Период, часы:минуты 11:58 11:16
Сигналы, МГц L1: 1575,42; L2: 1227,60 L1: (1602 + 0,5625n), L2: (1246 + 0,4375n), n = 1,2, …, 24
Частота кодирования, МГц C/A 1,023; P 10,23 C/A 0,511; P 5,11
Система координат WGS84 SGS85
Время UTC (USNO) UTC (SU)
Спецификация Точности (95%):
Горизонтальная точность, метров 100 100
Вертикальная точность, метров 140 150

Таблица суммирует особенности GPS и ГЛОНАСС, структуры их сигналов, и точностные данные. Обе системы совершенно подобны. Разногласия касаются шести орбитальных плоскостей для GPS против трех для ГЛОНАСС, с кодовым разделением против частотного мультиплексирования сигналов выбора времени. Так как ГЛОНАСС имеет больший орбитальный наклон, то он дает лучшие результаты в полярных областях.

Как показано в таблице, каждая система передает сигналы на двух частотах. Только C/A код любой из систем доступен для гражданского использования. В ГЛОНАСС отсутствует преднамеренное понижение точности за счет SA. Фактическая точность любой из систем значительно лучше указанной и составляет порядка 30 метров.

США гарантирует неизменность структуры сигналов в течении 10 лет, Россия — в течении 15 лет, что означает неизменность схем приемников. Срок эксплуатации спутников GPS составляет 7 лет, ГЛОНАСС — 5. Из-за финансовых трудностей поддержание работоспособности российской системы остается сложной задачей.

GPS и ГЛОНАСС — автономные системы, каждая из которых имеет собственный временной стандарт. Стандарт GPS — универсальное кодированное время (UTC) американский эталон которого находится в Военно-морской Лаборатории США. Масштаб времени, принятый ГЛОНАСС — UTC (SU), национальный эталон Советского Союза. Разногласие между этими эталонами составляет в настоящее время 2 секунды, но стабильность этой разницы не гарантируется. Так как требуется определение и точное измерение времени, пользователь должен быть способен определить мгновенную разность между двумя стандартами времени. Задачу можно свести к оценке местоположения с помощью двух наборов псевдодиапазонов, каждый из которых содержит неизвестное смещение времени. Это приводит к увеличению количества неизвестных до 5. В самом крайнем случае можно решать задачу без дополнительного неизвестного, жертвуя измерением диапазона между эталонами. Но поскольку объединенное использование GPS и ГЛОНАСС имеет избыточное количество информации, такие ситуации крайне редки.

Две системы выражают положения их спутников и, следовательно, их пользователей в различных геоцентрических системах координаты. GPS основан на системе координат WGS84; ГЛОНАСС — на SGS85. Объединение систем координат требует оценки преобразования между ними. Экспериментальные результаты показывают, что координаты точек на земле, выраженные в различных системах координат, отличаются не больше, чем на 20 метров.

Малый процент (0,4%) пользователей GPS-21 видит менее четырех спутников. В случае объединенного использования систем GPS + ГЛОНАСС все пользователи видели бы по крайней мере восемь спутников одновременно (напомним, что для оценки местоположения требуются минимум четыре спутника), а 99% пользователей видят 10 и большее количество спутников, и почти половина видят четырнадцать и больше. Видно, что некоторые пользователи не способны оценить свое положение, используя GPS или ГЛОНАСС отдельно. С объединенной совокупностью спутников все пользователи имеют избыточные наборы измерений. В приведенной гистограмме учтены только спутники, которые расположены значительно выше горизонта (> 7,5 градусов).

Точность определения местоположения GPS, ГЛОНАСС и при их совместном использовании


Горизонтальная ошибка

Ошибка по высоте

GPS (без SA) 7 18 34
GPS (c SA) 27 72 135
ГЛОНАСС 10 26 45
ГЛОНАСС+GPS 9 20 38

До сих пор сложно поверить, что в наш век "дикой" коммерции существует абсолютно бесплатная (при наличии технических средств) возможность определения своего местоположения в любой точке земного шара. Это одно из величайших изобретений XX века! Эта многомиллиардная по своим капиталовложениям система (сегодня их несколько) задумывалась прежде всего в интересах обороны (и науки), но прошло совсем немного времени и ей ежедневно стал пользоваться почти каждый человек. Под gps навигатором будем понимать специальное радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения (позиционирования).

К написанию этого поста меня подтолкнула фраза известного в узких кругах туриста про навигатор Garmin Etrex 30x.
Вот цитата из его статьи : "Спутниковая система: GPS/GPS+Глонасс/Демо режим. Не наводит ни на какую мысль то, что только Глонасс включить нельзя? Так вот его там и нету. В инструкции об этом ничего не сказано. Можете смеха ради взять в одну руку Garmin, а в другую смартфон с Глонассом, открыть экран отображения спутников и попытаться найти похожие. Это просто эмуляция, так что что вы поставите GPS или GPS+GLONASS не важно."
Как вам такое заявление? Только не кидайтесь тапками сразу проверять. Поскольку тут фигурируют понятия "GPS", "GLONASS" и "Garmin", то придется раскрыть тему полностью.

1 - GPS
Первой системой глобального позиционирования стала американская система NAVSTAR, которая берет своё начало в 1973 году. Уже в 1978 году был запущен первый спутник, что можно считать началом эры Global Positioning System (GPS), а в 1993 году орбитальная группировка насчитывала 24 космических аппаратов (КА), но только в 2000 году (после деактивации режима селективного доступа) началась штатная эксплуатация для гражданских пользователей.
Спутники NAVSTAR находятся на высоте 20200 км с наклонением 55° (в шести плоскостях) и периодом обращения 11 часов 58 минут. В GPS используется Всемирная геодезическая система 1984 года (World Geodetic System - WGS-84), что стало стандартом систем координат для всего мира. ВСЕ навигаторы определяют местоположение (показывают координаты) в этой системе по умолчанию.

Группировка на сегодняшний день состоит из 32 спутников. Самый ранний в системе от 22 ноября 1993 года, самый поздний (последний) - 9 декабря 2015 года.


()

2 - ГЛОНАСС
Отечественная навигационная система началась с системы "Цикада" в составе четырех спутников в 1979 году. Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 году. В 1995 году развернута орбитальная группировка полного состава (24 КА «Глонасс» первого поколения) и начата штатная эксплуатация системы. С 2004 года запускаются новые КА "Глонасс-М", которые транслируют два гражданских сигнала на частотах L1 и L2.
Спутники ГЛОНАСС находятся на высоте 19400 км с наклонением 64,8° (в трех плоскостях) и периодом 11 часов 15 минут.

Группировка на сегодняшний день состоит из 24 спутников. Самый ранний в системе от 3 апреля 2007 года, самый поздний (последний) - 16 октября 2017 года.


()

Таблица с номерами спутников ГЛОНАСС. Есть номер ГЛОНАСС и номер COSMOS. В наших смартфонах совсем другие номера спутников. От 1 это GPS, от 68 - ГЛОНАСС.
Более того - они даже другие в навигаторе и смартфоне.

Теперь посмотрим на программу "Orbitron". Днём 4 апреля на небосводе в Ижевске "пролетало" 10 спутников системы ГЛОНАСС.

Или в другом представлении - на карте. Есть все данные о каждом спутнике.


Основное отличие двух систем - это сигнал и его структура.
В системе GPS используется кодовое разделение каналов . Сигнал с кодом стандартной точности (C/A-код), передаваемый в диапазоне L1 (1575,42 МГц). Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями двух типов: C/A-код и P-код. C/A - общедоступный код - представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1,023 МГц.
В системе ГЛОНАСС частотное разделение каналов . Все спутники используют одну и ту же псевдослучайную кодовую последовательность для передачи открытых сигналов, однако каждый спутник передаёт на разной частоте, используя 15-канальное разделение по частоте. Навигационные радиосигналы с частотным разделением в двух диапазонах: L1 (1,6 ГГц) и L2 (1,25 ГГц).
Структура сигнала так же различна. Для описания движения спутников по орбите используются принципиально разные математические модели. У GPS - это модель в оскулирующих элементах. Эта модель подразумевает, что траектория движения спутника разбивается на участки, на которых движения описывается кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. В системе ГЛОНАСС используется дифференциальная модель движения.
Теперь к вопросу о возможности совмещения. 2011 год прошёл под эгидой поддержки ГЛОНАСС. При проектировании приёмников, важно было преодолеть проблемы несовместимости аппаратной поддержки ГЛОНАСС и GPS. То есть частотно-модулированный сигнал ГЛОНАСС потребовал более широкой полосы частот, чем сигналы импульсно-кодовой модуляции, используемые GPS, полосовых фильтров с разными центрами частот и разной скоростью передачи элементов сигнала. Для экономии энергии в навигаторах рекомендуется включить режим "только GPS".

3 - Garmin
Американская компания-производитель портативных навигационных устройств получила всемирную известность в первую очередь благодаря туристическим GPS навигаторам (серии GpsMap, eTrex, Oregon, Montana, Dakota) и автомобильным навигаторам, спортивным часам и эхолотам. Штаб-квартира находится в городе Олэт (штат Канзас). C 2011 года компания Garmin начала продажи навигаторов GPSMAP 62stc с возможностью приема и обработки сигнала от спутников GPS и GLONASS. Однако информация о используемых производителях чипов стала коммерческой тайной.

Применение двухсистемных приемников помогает повысить качество навигации в реальных условиях, на точности же определения координат двухсистемность никак не отражается. Недостаточный сигнал от спутников одной системы в данном месте и в данное время компенсируется спутниками другой системы. Максимальное число "видимых" спутников на небосводе в идеальных условиях: GPS - 13, ГЛОНАСС - 10. Именно по этой причине большинство обычных (не геодезических) приемников 24-х канальные.

Вот результаты теста от 2016 года. К сведению - НАП-4 и НАП-5 используют навигационные приемники ижевского радиозавода МНП-М7 и МНП-М9.1 соответственно.

Выводы. Лучшие результаты по точности позиционирования на маршруте эксперимента показали НАП-1, НАП-2, НАП-4. У всех НАП точность позиционирования достаточна для уверенной навигации во всех режимах. При этом точность позиционирования в режиме GPS и в совмещенном режиме несколько лучше, чем в режиме ГЛОНАСС.
Результаты НАП-3 с экспериментальным ПО по точности позиционирования в плане во всех режимах хуже, чем у такого же приемника с штатным ПО (НАП-2). В точности по высоте такой разницы не наблюдается. Исключением являются большие ошибки в совмещенном режиме, вызванные разовым сбоем в работе НАП, который привел к сильным отклонениям.
Результаты НАП-5 в целом хуже, чем у НАП того же производителя предыдущего поколения (НАП-4). Наблюдалось незначительное улучшение точности позиционирования в плане в режиме ГЛОНАСС. ()

Антенна навигатора принимает спутниковые сигналы и передаёт в приемник, который обрабатывает их. Чипы для навигационных устройств, поддерживающие работу с GPS+Глонасс, сегодня производят многие компании: Qualcomm (SiRFatlas V, drol_links в Гарминах стоит приёмник STA8088EXG от одной из крупнейших европейских компаний STMicroelectronics .

Выводы для пользователей навигатора Garmin:
1. В навигаторах и часах Garmin (после 2011 года) появилась возможность выбрать (включить приём и обработку сигнала) либо GPS, либо GPS+ГЛОНАСС. Отдельно ГЛОНАСС не предусмотрен по причине того, что это Garmin (ну как америкосы включат только что-то российское?)
2. В идеальных или близких к ним условиях (степь, равнина) вторая система не обязательна. В горах, городе и северных широтах - очень желательна. Но расход энергии будет больше.
3. Уж если производители смартфонов смогли "запихать" эту возможность в свои компактные девайсы, то почему это "не получилось" у Garmin?
Удачи!

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.

Что такое ГЛОНАСС сегодня знают многие. Но как именно работает эта система, для чего она предназначена и что необходимо для ее эффективного использования, часто остается «за скобками».

Расценивать систему ГЛОНАСС просто как систему спутниковой навигации - значит, предельно упрощать ее функционал. Сегодня она может использоваться не только военными (как это было изначально задумано), но и владельцами коммерческих предприятий, а также рядовыми автолюбителями.

ГЛОНАСС – это российская разработка, которая 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.

Принцип работы системы:

  • На объект, координаты которого необходимо определить, устанавливается приемно-передающее устройство – терминал .
  • Для позиционирования терминал подает запрос на спутники. Чем больше спутников ответят на запрос (в идеале – не менее 4), тем точнее будут определены координаты.
  • Ответный сигнал поступает в терминал, программный комплекс которого анализирует время задержки для разных спутников. На основе анализа ответной информации определяются координаты объекта, на котором установлено приемное оборудование.

При постоянной работе терминала (т.е. регулярной отправке запросов и анализе ответов) система ГЛОНАСС может определять не только положение, но и скорость движения объекта. При движении точность позиционирования снижается, но все равно остается достаточной для того, чтобы навигационное оборудования могло выполнить привязку координат объекта к электронной карте местности и построить маршрут.

Сравнение с основным аналогом - системой GPS

Дать полный ответ на вопрос «Что такое ГЛОНАСС?» невозможно без сравнения его с «ближайшим конкурентом» - системой глобального позиционирования GPS. Работы над обеими системами начались в СССР и США примерно в одно время – в начале 80х годов прошлого века. После того как спутниковая навигация вышла из-под полного контроля военных и стала применяться в коммерческих целях, ГЛОНАСС и GPS развивались по достаточно схожим сценариям.

Обе системы работают на базе группировок из 24 спутников на геостационарных орбитах. Но есть у них и отличия:

  • Российские спутники двигаются в 3 плоскостях (соответственно, 8 аппаратов на одну орбиту).
  • У спутников GPS выделено 4 орбиты по 6 аппаратов в каждой.
  • Погрешность позиционирования у GPS несколько ниже, но обе системы достаточно точно определяют координаты.
  • Основное преимущество GPS - практически 100% покрытие территории земного шара. ГЛОНАСС полностью покрывает территорию РФ, но за пределами Российской Федерации есть участки, в которых сигнал от спутников очень слабый или полностью отсутствует.
  • Также есть нюансы технического характера: сервис из США использует кодировку CDMA, российский - более сложную и потому более энергоемкую кодировку FDMA. Из-за этого срок эксплуатации спутников ГЛОНАСС сокращается, так что возникает потребность в более частом выводе техники на орбиту.

Сложно говорить об однозначном преимуществе одной из двух описанных навигационных систем. Тем более что чаще всего оборудование для удаленного позиционирования делают комбинированным: оно может работать как со спутниками GPS, так и с аппаратурой ГЛОНАСС.

Сфера применения

Аппаратура и программное обеспечение, которое дает возможность определять местонахождение объекта с помощью спутниковой сети, может решать несколько задач.

Основная функция, которую выполняют бытовые терминалы ГЛОНАСС - глобальная навигация для транспорта. Такое оборудование представляет собой усовершенствованную карту: координаты, определённые терминалом, накладываются на план местности и показывают оптимальное направление движения к заданному пункту.

Кроме этого оборудование может использоваться:

  • В системах мониторинга транспорта . Предприятия, вынужденные отслеживать движение множества транспортных средств (автобусы для перевозки пассажиров, грузовики) по регулярным или нерегулярным маршрутам, получает возможность в любом момент увидеть, где находится та или иная машина. Для этого автомобили оснащаются ГЛОНАСС-терминалами, которые подключаются к программному обеспечению.

Кроме непосредственного отслеживания перемещения техники диспетчер получает возможность контролировать соблюдение скоростного режима, режима труда/отдыха шофера, сохранности груза в холодильных отсеках рефрижераторов, уровня горючего в баках/цистернах. Для решения этих задач может устанавливаться дополнительное оборудование, которое подключается к разъемам терминала.

  • В беспилотных автомобилях. Для беспилотников спутниковая система навигации наряду с сенсорами, которые считывают параметры окружения – основные управляющие элементы. Такое оборудование уже производится и проходит испытания - в том числе на трассах РФ. Эксперты прогнозируют рост доли беспилотной техники на дорогах уже в ближайшем будущем.
  • В противоугонных системах. ГЛОНАСС-трекер , скрытно установленный в машине, может подать сигнал тревоги, если координаты автомобиля изменяться без ведома хозяина. Кроме того, оборудование может периодически посылать сообщения с указанием местонахождения авто – это облегчит владельцу или представителям правоохранительных органов поиск украденной машины.

ГЛОНАСС для контроля транспорта

Если в сегменте систем навигации для водителей GPS традиционно остается более популярным, то ГЛОНАСС занимает более выгодную нишу в коммерческом сегменте. Связано это с активным развитием систем удаленного мониторинга транспорта.

Такие системы традиционно включают сеть ГЛОНАСС-терминалов, установленных на технике, и диспетчерское программное обеспечение. Внедрение мониторинга предусматривает его интеграцией с логистической схемой предприятия.

Основная задача – координация работы транспортного департамента и отслеживание движения автомобилей, перевозящих пассажиров или грузы, в режиме реального времени. Координаты каждой машины определяются по спутнику с установленным интервалом и накладываются на карту, потому диспетчер или руководитель департамента получает максимально объективную и оперативную информацию.

Кроме этого, мониторинг транспорта может использоваться для:

  • Повышения уровня дисциплины. Навигационный терминал отслеживает движение машины по маршруту, исключая нецелевое использование техники и простои. Любая незапланированная остановка или отклонение от маршрута должны быть мотивированы водителем, причем связаться с ним диспетчер может сразу при обнаружении нарушения.
  • Повышения безопасности движения и снижения аварийности. Система ГЛОНАСС дает возможность контролировать скорость движения, сигнализируя диспетчеру о превышении скорости. Кроме того, мониторинг позволяет отслеживать переработку для соблюдения режима труда и отдыха. Это не только снижает риск аварий из-за переутомления, но и гарантирует отсутствие штрафов при проверке показаний тахографа .
  • Контроль уровня горючего. Установка датчиков уровня топлива с подключением их к терминалу практически полностью исключает возможность хищения ГСМ.

Что такое ЭРА ГЛОНАСС?

Система определения координат с помощь спутников ГЛОНАСС может решать и еще одну задачу – экстренное оповещение об аварии. Для этого в машину устанавливается терминал ЭРА-ГЛОНАСС (УВЭОС) с SIM-картой для работы в мобильной сети, и «тревожная кнопка» для вызова диспетчера.

Если машина оборудуется ЭРА-ГЛОНАСС при производстве или поставке в РФ, то кроме терминала с кнопкой вызова в нее устанавливаются также датчики, реагирующие на повреждения и автоматически подающие сигнал тревоги при ударе или перевороте.

Основная задача системы - оповестить экстренные службы (ДПС ГИБДД, МЧС, Скорую Помощь) о ДТП, передав им координаты места аварии и базовые сведения о машине и пассажирах. При этом сигнал о произошедшем принимает диспетчер колл-центра, он же передает полученные сведения спасательным службам.

Особенности работы экстренного информирования

Работает ЭРА-ГЛОНАСС по простому принципу:

  • Сигнал тревоги может быть активирован автоматически (сработал датчик удара/переворота) или в ручном режиме (водитель либо кто-то из пассажиров нажал кнопку).
  • После того как сигнал поступит в колл-центр, диспетчер связывается с машиной в голосовом режиме (конструкция терминала включает динамик и микрофон). Это необходимо для исключения ложных вызовов или случайных срабатываний кнопки «SOS».
  • Если ответ не был получен, или водитель подтвердил факт ДТП, информация передается спасательным службам.

Автоматическая работа системы минимизирует время между аварией и прибытием помощи на место происшествия. Это значительно снижает смертность на дорогах, потому что у Скорой Помощи и спасателей появляется больше времени на оказание квалифицированной помощи.

Надежность системы очень высока: терминалы снабжаются автономными источниками питания, и даже при обесточивании бортовой сети во время аварии они сохраняют работоспособность в течение минимум нескольких часов. Этого вполне хватает для определения координат, а также для связи с колл-центром.

SIM-карта, установленная в терминале, обеспечивает устойчивую связь с диспетчером везде, где есть покрытие мобильной сети. Для обеспечения надежной связи приборы комплектуются эффективными антеннами для сотовой связи и спутников ГЛОНАСС. Обычно при хорошем качестве сигнала данные передаются по GPRS (используется 3G модем), при проблемах со связью терминала может отправлять служебные SMS с основной информацией для экстренных служб.

И сам сеанс связи с диспетчером, и вызов помощи путем активации экстренного информирования спасательных служб полностью бесплатны.

Какие данные собирает?

УВЭОС обязательны к установке для всех автомобилей, которые выпускаются в обращение на территорию РФ. Но если новые машины оснащаются терминалами, тревожными кнопками и датчиками на производстве, то при импорте техники владелец обязан за свой счет установить ЭРА-ГЛОНАСС, иначе эксплуатировать машину в РФ будет невозможно.

Один из аргументов против оборудования автомобиля ЭРА-ГЛОНАСС – возможное отслеживание перемещения техники по спутниковой сети (т.е. незаконная передача личных данных спецслужбам) или прослушка салона. На практике же в терминалах не реализована функция трекинга, потому без ведома владельца отследить движение машины нельзя.

По информации производителей, терминал собирает и передает только такие данные:

  • Координаты места аварии.
  • Скорость на момент аварии.
  • Тип срабатывания сигнала тревоги (датчик удара/переворота, принудительный вызов).
  • Данные о машине: номер, марку, тип двигателя (бензин/дизель).
  • Количество пристегнутых ремней безопасности.

Также службам спасения передается информация, полученная диспетчером при разговоре с водителем.

Сегодня ГЛОНАСС - это не просто навигатор, который позволит не потеряться на незнакомых дорогах. Возможности спутникового позиционирования куда шире, и воспользоваться ими может как рядовой автовладелец, так и руководитель коммерческого предприятия с обширным парком автомобилей.