Глонасс - российская глобальная навигационная спутниковая система

Навигационные системы, использующие искусственные спутники Земли, становятся основным средством наземной, воздушной и морской навигаций.

Первым шагом в этом направлении было создание низкоорбитальных спутниковых систем: отечественной "Цикады" и американской "Транзит". Следующим этапом явилась реализация программ по созданию глобальных навигационных спутниковых систем — российской ГЛОНАСС и американской NAVSTAR (GPS). Обе они сейчас находятся в эксплуатации.

Основными требованиями к навигационным системам являются высокая точность местоопределения, глобальность действия, а также получение навигационного радиосигнала в любое время суток. К важнейшим качествам современных навигационных средств относятся их независимость от погодных условий, надежность работы и возможность свободного доступа неограниченному числу пользователей.

Всем этим требованиям соответствует система ГЛОНАСС, обладающая более высокой точностью и оперативностью, чем ранее развернутые низкоорбитальные системы. Установка на борту навигационных спутников атомных стандартов частоты позволяет использовать эту систему и для измерений в интересах службы времени.

ГЛОНАСС дает возможность пользователю определять координаты местоположения, скорость движения и точное время. Каждый спутник (всего их в орбитальной группировке 24) непрерывно излучает навигационный радиосигнал. Аппаратура пользователя одновременно принимает сигналы от четырех ИСЗ ГЛОНАСС и автоматически определяет беззапросным способом дальность до этих спутников и скорость их движения. При необходимости определить только две координаты объекта (горизонтальные, например на поверхности моря) навигационной аппаратуре пользователя достаточно сигналов от трех спутников. По результатам этих измерений и с помощью цифровой информации, передаваемой со спутников, после ее обработки автоматически решается навигационная задача:

определяются местоположение пользователя и другие параметры. При этом навигационная задача может быть решена с момента первого включения аппаратуры в течение нескольких минут, с последующим определением через каждую секунду.

Навигационная информация незаменима при геодезических работах, составлении земельных кадастров, прокладке коммуникаций. Она необходима геологам при разработке и обустройстве нефтяных и газовых месторождений, в том числе и на прибрежных шельфах.

Система ГЛОНАСС открыла новые возможности для научных исследований и решения прикладных задач. Этот перечень может быть достаточно широким — от определения смещения горных массивов, литосферных плит, сейсмических измерений до прецизионных измерений в интересах геодинамики и радиоастрономии, синхронизации шкал времени удаленных друг от друга объектов.

Еще одна область применения навигационной информации — организация поисково-спасательных работ.

В системе ГЛОНАСС принято частотное разделение каналов. Каждый спутник в диапазоне 1600 МГц излучает навигационный радиосигнал на своей несущей частоте, отличной от частот других ИСЗ.

Навигационные данные могут выводиться на табло в виде числовых значений координат, скорости и времени, а также отображаться на электронных картах в графическом изображении маршрута движения.

Системы координат могут выбираться пользователями в зависимости от их потребностей.

В состав системы ГЛОНАСС входит, как уже отмечалось, орбитальная группировка из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте 19100 км. Они были запущены и будут запускаться для восполнения группировки с космодрома "Байконур" ракетой-носителем тяжелого класса "Протон" со специальным разгонным блоком по три спутника сразу. Причем масса каждого из них составляет более 13000 кг. Спутники расположены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных на 120°. В каждой плоскости находится восемь ИСЗ, которые удалены друг от друга на 45° по широте. Период обращения каждого спутника вокруг Земли — 11 ч 15 мин.

Такое построение орбитальной группировки позволяет создать оптимальные условия для непрерывного и глобального обеспечения всей поверхности Земли радионавигационными сигналами. Это дает возможность пользователю со среднеквадратической ошибкой около 20 м устанавливать свои координаты и с погрешностью не хуже чем 15 см/с определять скорость.

Для этого на каждом спутнике имеется навигационный комплекс, который формирует навигационное сообщение и излучает его на Землю со скоростью 50 бит/с. Излучаемый радионавигационный сигнал содержит эфемериды спутника (данные о его местоположении на орбите на каждый момент времени), служебные данные, информацию об исправности бортового комплекса.

"Сердцем" бортового комплекса является высокостабильный генератор с относительным уходом частоты за сутки 5^-10с. Он служит основным источником для создания бортовой шкалы времени и обеспечивает синхронизацию всех процессов, проходящих в системе ГЛОНАСС. Важнейшую роль играет также бортовая ЭВМ, которая "запоминает" и обрабатывает принимаемую с наземных пунктов управления информацию и обеспечивает выполнение программы работы специальных бортовых систем.

В передаваемом с борта сигнале содержится информация о положении всех других спутников на орбите. Эта информация включает в себя начальные условия движения ИСЗ, что позволяет пользователю с помощью навигационной аппаратуры выбирать оптимальные созвездия спутников для точного определения своего местоположения.

Управление спутниками осуществляется с наземного комплекса. В него входят Центр управления, расположенный под Москвой, и станции измерения и контроля, рассредоточенные на территории России: в Москве, Санкт-Петербурге, Енисейске, Комсомольске-на-Амуре.

Наземный комплекс управления контролирует правильность функционирования орбитальной группировки, измеряет параметры орбит ИСЗ, передает на спутники программу работ и специальную информацию.

Передача информации на наземный комплекс управления и передача навигационной информации пользователям производится по разным радиоканалам.

Для того, чтобы все процессы в такой сложной системе происходили в одной шкале времени, в состав аппаратуры Центра управления включен центральный синхронизатор. Его основа — высокостабильный водородный генератор частоты, обеспечивающий на порядок более высокую суточную относительную нестабильность, чем генератор, который установлен на спутнике. Таким образом, бортовые шкалы времени системы ГЛОНАСС синхронизируются с центральным синхронизатором, а через него — и с государственным эталоном частоты и времени.

Такое построение системы позволяет пользователю получать широкий набор сервисных услуг, помимо определения своих координат и поправки времени. При этом режим работы пользователя — беззапросный, что делает возможным одновременное применение неограниченного числа приемников сигналов системы ГЛОНАСС.

Для пользователей системы ГЛОНАСС российскими предприятиями разработана и выпускается навигационная аппаратура в нескольких модификациях, рассчитанная на массовое производство и применение в различных условиях. В комплект аппаратуры пользователя входят приемник, антенна, процессор и устройство индикации общим весом 1,5—2,5 кг.

Приемники аппаратуры — многоканальные, могут принимать одновременно сигналы от 6—12 спутников, находящихся в зоне видимости пользователя. Кроме того, они могут настраиваться на передатчики системы NAVSTAR. Все это позволяет выбрать оптимальное созвездие спутников для повышения точности измерений.

Массогабаритные характеристики отечественной аппаратуры близки к зарубежным аналогам и позволяют использовать ее на личных автомобилях, на яхтах, а также в геологических партиях.

Несмотря на высокую точность определения местонахождения объектов, получаемую в настоящее время с помощью

системы ГЛОНАСС, широко развернуты работы, направленные на дальнейшее повышение ее технических характеристик и устойчивости функционирования в различных условиях. Одно из таких направлений связано с использованием режима дифференциальных навигационных определений.

Внимание к дифференциальному режиму вызвано необходимостью обеспечивать решение некоторых задач, например, определения координат с точностью до нескольких сантиметров.

В основе дифференциального метода лежит формирование разности отсчетов, что и определило его название — дифференциальный.

Сущность метода заключается в том, что наземные опорные станции, координаты которых известны, с высокой точностью осуществляют непрерывные измерения параметров спутников ГЛОНАСС, находящихся в зоне видимости. В результате обработки полученных данных эти станции вырабатывают дифференциальные поправки и передают их в навигационную аппаратуру пользователя, которая использует их для компенсаций систематических погрешностей в своих измерениях.

Практическим стимулом применения этого режима была необходимость использования спутниковых навигационных систем для посадки самолетов. Поэтому современная аппаратура пользователя может работать в дифференциальном режиме.

В настоящее время в дифференциальном режиме в сочетании со специальными техническими измерениями и программно-математическими методами удается достигать точностей до нескольких сантиметров.

По оперативности и точности аппаратура системы ГЛОНАСС находится на уровне лучших мировых аналогов. Это стало возможным благодаря использованию последних достижений в развитии элементной базы с высокой степенью быстродействия и интеграции.

Тем не менее, к сожалению, по количеству модификаций отечественная аппаратура пользователя не столь разнообразна, как зарубежная. Объясняется это, прежде всего, недостаточным финансированием разработчиков и заводов-изготовителей серийной аппаратуры. Этим не замедлили воспользоваться зарубежные фирмы, прежде всего в США. В России и государствах СНГ появилась дешевая аппаратура пользователя нового поколения. В результате произошло смещение спроса в пользу зарубежных образцов, а отечественной технике приходится вести нелегкую конкурентную борьбу.

Однако несмотря на это, близкий научно-технический уровень российской и американской систем навигации вызывает интерес к сотрудничеству. По предложению российской и американской сторон в международных организациях по авиации (ИКАО) и морского флота (ИМО) рассматривается вопрос о совместном использовании систем ГЛОНАСС и NAVSTAR. Это дало бы возможность повысить точность получения навигационной информации, так как пользователи могли бы выбирать оптимальное созвездие из большего числа видимых спутников, доходящего до 16—20, и пользоваться приемниками с числом каналов 12 и более.

Совмещение глобальных систем навигации, несомненно, ведет к большей достоверности навигационных определений за счет избыточности навигационных спутников в зоне видимости пользователя. А это позволит расширить рамки использования систем, в том числе для такой сложной операции, как заход самолетов на посадку, что привлечет дополнительное число пользователей.

В настоящее время постоянно растут требования пользователей к навигационному обеспечению. Это учитывают предприятия-разработчики ГЛОНАСС, в числе которых такие известные коллективы, как НПО прикладной механики, Российский НИИ космического приборостроения, Российский институт радионавигации и времени. Их усилия направлены на то, чтобы еще больше повысить точность навигационных определений, поднять надежность и срок службы бортового комплекса и аппаратуры пользователя, добиться большей совместимости ГЛОНАССа с другими радиотехническими системами.

Несомненно, высокий научно-технический потенциал отечественных разработчиков, их сотрудничество в международном масштабе приведут к новому качественному скачку в глобальной навигации.

ШТУРМАНСКАЯ ПОДГОТОВКА К ПОЛЕТУ