ГЛОНАСС: Российская спутниковая навигационная система

Введение

Российская спутниковая навигационная система

ГЛОНАСС (ГЛОНАСС, ;) — российская спутниковая навигационная система, функционирующая в рамках радионавигационной спутниковой службы. Она является альтернативой глобальной системе позиционирования (GPS) и второй в мире навигационной системой, обеспечивающей глобальное покрытие и сопоставимую точность. У устройств спутниковой навигации, поддерживающих как GPS, так и ГЛОНАСС, доступно большее количество спутников, что позволяет определять местоположение быстрее и точнее, особенно в плотной городской застройке, где здания могут загораживать сигнал от некоторых спутников. Использование ГЛОНАСС в дополнение к системам GPS также повышает точность определения местоположения в высоких широтах (северных или южных). Разработка ГЛОНАСС началась в Советском Союзе в 1976 году. С 12 октября 1982 года многочисленные запуски ракет добавляли спутники в систему, пока в 1995 году созвездие не было завершено. В 2001 году, после снижения возможностей в конце 1990-х годов, восстановление системы стало приоритетом государства, и финансирование значительно возросло. ГЛОНАСС — самая дорогостоящая программа Роскосмоса, на которую в 2010 году приходилась треть бюджета. К 2010 году ГЛОНАСС обеспечил полное покрытие территории России. В октябре 2011 года была восстановлена полная орбитальная группировка из 24 спутников, обеспечившая полное глобальное покрытие. Конструкция спутников ГЛОНАСС неоднократно модернизировалась, а последняя версия, ГЛОНАСС К2, была запущена в 2023 году. В 2020 году ООО «Глонасс БДД» проверило информационную систему анализа и предотвращения дорожно-транспортных происшествий и опубликовало цифровой рейтинг безопасности для 3000 км российских дорог.

Описание системы

ГЛОНАСС – это глобальная навигационная спутниковая система, обеспечивающая определение местоположения и скорости в реальном времени для военных и гражданских пользователей. Спутники расположены на средней круговой орбите на высоте с наклонением 64,8° и орбитальным периодом 11 часов 16 минут (спутник проходит над одной и той же точкой каждые 17 оборотов, совершаемых за 8 звездных суток). Орбита ГЛОНАСС особенно хорошо подходит для использования в высоких широтах (северных или южных), где прием сигнала GPS может быть затруднен. Созвездие функционирует в трех орбитальных плоскостях, в каждой из которых равномерно распределено по восемь спутников. В первоначальной конструкции ГЛОНАСС в диапазоне L2 передавался только затрудненный для расшифровки высокоточный сигнал, но начиная с ГЛОНАСС М, дополнительный гражданский опорный сигнал L2OF передается с идентичным стандартным кодом точности, как у сигнала L1OF. Открытый стандартный точный сигнал формируется путем сложения по модулю 2 (XOR) псевдослучайной последовательности для определения дальности со скоростью 511 кбит/с, навигационного сообщения со скоростью 50 бит/с и вспомогательной меандровой последовательности частотой 100 Гц (манчестерский код), при этом все компоненты генерируются одним генератором частоты и времени. Псевдослучайная последовательность генерируется 9-ступенчатым сдвиговым регистром с периодом 1 миллисекунда. Навигационное сообщение модулируется со скоростью 50 бит в секунду. Суперкадр открытого сигнала длиной 7500 бит состоит из 5 кадров по 30 секунд, на передачу непрерывного сообщения требуется 150 секунд (2,5 минуты). Каждый кадр длиной 1500 бит состоит из 15 строк по 100 бит (2 секунды на строку), из которых 85 бит (1,7 секунды) отведено под данные и контрольные биты, а 15 бит (0,3 секунды) – под временную метку. Строки 1–4 содержат актуальные данные для передающего спутника и повторяются в каждом кадре; эти данные включают эфемериды, поправки на частоту и время, а также статус спутника. Строки 5–15 содержат неактуальные данные (то есть альманах) для каждого спутника в созвездии, при этом кадры I–IV описывают по пять спутников, а кадр V – оставшиеся четыре. Эфемериды обновляются каждые 30 минут на основе данных от наземного сегмента управления; они используют декартовы координаты системы Earth Centered Earth Fixed (ECEF) для определения местоположения и скорости, а также включают параметры лунно-солнечного ускорения. Альманах использует модифицированные орбитальные элементы (кеплеровы элементы) и обновляется ежедневно. Более точный высокоточный сигнал доступен авторизованным пользователям, таким как российские военные, но, в отличие от американского кода P(Y), который модулируется шифрующим кодом W, коды GLONASS с ограниченным доступом передаются открыто, обеспечивая безопасность лишь за счет сокрытия информации. Детали высокоточного сигнала не разглашаются. Модуляция (и, следовательно, стратегия отслеживания) битов данных в коде L2SF недавно изменилась с немодулированной на импульсную модуляцию со скоростью 250 бит/с в случайные моменты времени. Код L1SF модулируется навигационными данными со скоростью 50 бит/с без использования манчестерского кода. Высокоточный сигнал передается в квадратуре фаз со стандартным точным сигналом, фактически используя ту же несущую частоту, но с десятикратно большей полосой пропускания, чем у открытого сигнала. Формат сообщения высокоточного сигнала остается неопубликованным, однако попытки обратной разработки показывают, что суперкадр состоит из 72 кадров, каждый из которых содержит 5 строк по 100 бит и на передачу требуется 10 секунд, что в сумме составляет 36 000 бит или 720 секунд (12 минут) для всего навигационного сообщения. Дополнительные данные, по всей видимости, выделены под критически важные параметры лунно-солнечного ускорения и поправки на время.

GLONASS is a global navigation satellite system, providing real time position and velocity determination for military and civilian users. The satellites are located in middle circular orbit at altitude with a 64.8° inclination and an orbital period of 11 hours and 16 minutes (every 17 revolutions, done in 8 sidereal days, a satellite passes over the same location). GLONASS's orbit makes it especially suited for usage in high latitudes (north or south), where getting a GPS signal can be problematic. The constellation operates in three orbital planes, with eight evenly spaced satellites on each. In the original GLONASS design, only obfuscated high precision signal was broadcast in the L2 band, but starting with GLONASS M, an additional civil reference signal L2OF is broadcast with an identical standard precision code to the L1OF signal. The open standard precision signal is generated with modulo 2 addition (XOR) of 511 kbit/s pseudo random ranging code, 50 bit/s navigation message, and an auxiliary 100 Hz meander sequence (Manchester code), all generated using a single time/frequency oscillator. The pseudo random code is generated with a 9 stage shift register operating with a period of 1 milliseconds. The navigational message is modulated at 50 bits per second. The superframe of the open signal is 7500 bits long and consists of 5 frames of 30 seconds, taking 150 seconds (2.5 minutes) to transmit the continuous message. Each frame is 1500 bits long and consists of 15 strings of 100 bits (2 seconds for each string), with 85 bits (1.7 seconds) for data and check sum bits, and 15 bits (0.3 seconds) for time mark. Strings 1 4 provide immediate data for the transmitting satellite, and are repeated every frame; the data include ephemeris, clock and frequency offsets, and satellite status. Strings 5 15 provide non immediate data (i. e. almanac) for each satellite in the constellation, with frames I IV each describing five satellites, and frame V describing remaining four satellites. The ephemerides are updated every 30 minutes using data from the Ground Control segment; they use Earth Centred Earth Fixed (ECEF) Cartesian coordinates in position and velocity, and include lunisolar acceleration parameters. The almanac uses modified orbital elements (Keplerian elements) and is updated daily. The more accurate high precision signal is available for authorized users, such as the Russian military, yet unlike the United States P(Y) code, which is modulated by an encrypting W code, the GLONASS restricted use codes are broadcast in the clear using only security through obscurity. The details of the high precision signal have not been disclosed. The modulation (and therefore the tracking strategy) of the data bits on the L2SF code has recently changed from unmodulated to 250 bit/s burst at random intervals. The L1SF code is modulated by the navigation data at 50 bit/s without a Manchester meander code. The high precision signal is broadcast in phase quadrature with the standard precision signal, effectively sharing the same carrier wave, but with a ten times higher bandwidth than the open signal. The message format of the high precision signal remains unpublished, although attempts at reverse engineering indicate that the superframe is composed of 72 frames, each containing 5 strings of 100 bits and taking 10 seconds to transmit, with total length of 36 000 bits or 720 seconds (12 minutes) for the whole navigational message. The additional data are seemingly allocated to critical Lunisolar acceleration parameters and clock correction terms.

Точность

При максимальной эффективности стандартный точный сигнал обеспечивает точность горизонтального позиционирования в пределах 5–10 метров, вертикального позиционирования в пределах , измерение вектора скорости в пределах , и точность синхронизации в пределах 200 наносекунд, все это основано на измерениях четырех спутников первого поколения одновременно; более новые спутники, такие как GLONASS M, улучшают эти показатели. ГЛОНАСС использует систему координат "PZ 90" (Earth Parameters 1990 – Parametry Zemli 1990), в которой точное местоположение Северного полюса определяется как среднее его положение за период с 1990 по 1995 год. Это отличается от системы координат GPS, WGS 84, которая использует местоположение Северного полюса в 1984 году. По состоянию на 17 сентября 2007 года система координат PZ 90 была обновлена до версии PZ 90.02, которая отличается от WGS 84 менее чем на в любом заданном направлении. С 31 декабря 2013 года транслируется версия PZ 90.11, которая согласована с Международной наземной системой отсчета и системой координат 2008 года на эпоху 2011.0 с сантиметровой точностью, однако в идеале следует выполнить преобразование в ITRF2008.

Спутники

Главным подрядчиком программы ГЛОНАСС является акционерное общество «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетьева» (ИСС Решетьнев, ранее называвшееся НПО ПМ). Компания, расположенная в Железногорске, является разработчиком всех спутников ГЛОНАСС, в сотрудничестве с Институтом космических устройств (:ru:РНИИ КП) и Российским институтом радионавигации и времени. Серийное производство спутников осуществляется компанией «Производственная корпорация "Полет"» в Омске. За три десятилетия разработки конструкции спутников неоднократно модернизировались и могут быть разделены на три поколения: первая серия ГЛОНАСС (с 1982 года), ГЛОНАСС-М (с 2003 года) и ГЛОНАСС-К (с 2011 года). Каждый спутник ГЛОНАСС имеет индекс ГРАУ 11F654, а также военный индекс «Космос NNNN».

Первое поколение

Первое поколение спутников ГЛОНАСС (также называемых «Ураган») представляло собой аппараты, стабилизированные по трем осям, обычно весившие [указать вес, если известен] и оснащенные скромной двигательной установкой для перемещения в пределах группировки. Со временем они были модернизированы до блоков IIa, IIb и IIv, каждый из которых содержал усовершенствования по сравнению с предыдущим. В 1985–1986 годах были запущены шесть спутников блока IIa с улучшенными временными и частотными стандартами, а также повышенной стабильностью частоты по сравнению с прототипами. Эти аппараты также продемонстрировали средний срок службы в 16 месяцев. Спутники блока IIb, рассчитанные на двухлетний срок службы, появились в 1987 году, всего было запущено 12 аппаратов, но половина из них была потеряна из-за аварий ракет-носителей. Шесть спутников, успешно выведенных на орбиту, работали исправно в течение в среднем почти 22 месяцев. Блок IIv был самым многочисленным в первом поколении. Он использовался исключительно с 1988 по 2000 год и продолжал запускаться до 2005 года, всего было запущено 56 спутников. Расчетный срок службы составлял три года, однако многие аппараты превысили этот срок, причем один поздний образец проработал 68 месяцев, что почти вдвое больше. Спутники блока II обычно запускались по три с космодрома Байконур с помощью разгонных блоков Proton K Blok DM2 или Proton K Briz M. Исключением были два запуска, когда вместо спутника ГЛОНАСС был выведен геодезический отражатель «Эталон».

Второе поколение

Второе поколение спутников, известное как Glonass M, было разработано начиная с 1990 года и впервые запущено в 2003 году. Эти спутники обладают существенно увеличенным сроком службы – семь лет и имеют немного больший вес. Их диаметр составляет примерно , а высота – , солнечные панели имеют размах в для обеспечения выработки электроэнергии мощностью 1600 Вт на момент запуска. В кормовой конструкции полезной нагрузки размещены 12 основных антенн для передачи в L-диапазоне. Также установлены лазерные угловые отражатели для точного определения орбиты и геодезических исследований. На борту цезиевые часы служат локальным источником времени. Было произведено и запущено 52 спутника Glonass M. Всего к концу 2013 года было запущено 41 спутник второго поколения. Как и спутники предыдущего поколения, аппараты второго поколения запускались по три за раз с помощью ракет-носителей Proton K Blok DM2 или Proton K Briz M. Некоторые запускались поодиночке с помощью "Союз-2 1б/Фрегат". В июле 2015 года ИСС имени Решетнёва объявила о завершении производства последнего спутника ГЛОНАСС М (№61) и помещении его на хранение в ожидании запуска, вместе с восемью ранее созданными спутниками.

Точность

Согласно данным Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга, по состоянию на 2010 год точность навигационных определений ГЛОНАСС (для p=0.95) для широты и долготы составляла, при среднем числе навигационных космических аппаратов (НСВ) равном 7–8 (в зависимости от станции). Для сравнения, в то же время точность навигационных определений GPS составляла, при среднем числе НСВ равном 6–11 (в зависимости от станции). Некоторые современные приемники способны использовать спутники ГЛОНАСС и GPS одновременно, обеспечивая значительно улучшенное покрытие в городских каньонах и очень быстрое время фиксации благодаря доступности более 50 спутников. В помещениях, городских каньонах или в горной местности точность может быть значительно повышена по сравнению с использованием только GPS. При одновременном использовании обеих навигационных систем точность навигационных определений ГЛОНАСС/GPS составляла, при среднем числе НСВ равном 14–19 (в зависимости от станции). В мае 2009 года Анатолий Перминов, тогдашний директор Роскосмоса, заявил о предпринимаемых мерах по расширению группировки ГЛОНАСС и модернизации наземного сегмента для повышения точности навигационных определений ГЛОНАСС до уровня в 2011 году. В частности, новейшая разработка спутника ГЛОНАСС-К обладает возможностью удвоить точность системы после ввода в эксплуатацию. Также планируется модернизация наземного сегмента системы. По состоянию на начало 2012 года в России и на Антарктике, на станциях Bellingshausen и Novolazarevskaya, ведется строительство шестнадцати наземных станций позиционирования. Новые станции будут построены в южном полушарии от Бразилии до Индонезии. Ожидается, что все эти улучшения позволят повысить точность ГЛОНАСС до 0,6 м или выше к 2020 году. В настоящее время ведутся переговоры о создании станции приема ГЛОНАСС на Филиппинах.