Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС

 Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.

 

История развития ГЛОНАСС

КА 'Циклон'

Развитие отечественной навигационной спутниковой системы, как принято считать, началось с запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли. Использовать спутники для навигации в 1957 году впервые предложил проф. В.С. Шебшаевич. Эта возможность была открыта им при исследовании приложений радиоастрономических методов в пилотировании самолетов. После этого в целом ряде советских институтов были проведены исследования, посвященные вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий. Все они были использованы в 1963 году во время проведения опытно-конструкторских работ по созданию первой отечественной низкоорбитальной системы «Цикада». 27 ноября 1967 года на орбиту был выведен первый навигационный отечественный спутник «Космос-192» (КА «Циклон»).Он обеспечивал непрерывное излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 МГц в течение всего времени активного существования.

 Система «Цикада» была сдана в эксплуатацию в составе четырех спутников в 1979 году. Навигационные спутники были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км, с наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей вдоль экватора. Система позволяла потребителю в среднем через каждые 1,5–2 часа входить в радиоконтакт с одним из спутников и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5-6 минут. Навигационная система «Цикада» использовала беззапросные измерения дальности от потребителя до навигационных спутников. Наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной навигационной аппаратуры серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

КА 'Цикада'

В дальнейшем спутники системы «Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями. Эти сигналы принимаются спутниками системы «Цикада» и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.). Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники «Цикада» образуют системы «Коспас». Совместно с американо-франко-канадской системой «Сарсат» они входят в единую службу поиска и спасения.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей. Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная навигационная спутниковая система второго поколения должна была обеспечить потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время.

Была выбрана структура спутниковой системы: высота орбиты навигационных спутников составила 20 тыс. км, их общее количество – 24 аппарата. Были решены две проблемы создания высокоорбитальной навигационной системы. Первая проблема - взаимная синхронизация спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд). Эта проблема была решена с помощью установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1*10-13 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1* 10-14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3-5 нс. Второй проблемой было высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Ее решили, учитывая факторы второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключая действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных не герметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника «Космос-1413». Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 году. В 1995-м развернута орбитальная группировка полного состава (24 спутника) и начата штатная эксплуатация. Система позволяет обеспечить непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения.

Сокращение финансирования космической отрасли в 1990-х годах привело к деградации орбитальной группировки ГЛОНАСС, снижению ее выходного эффекта. В 2001 году в целях сохранения и развития системы Президентом и Правительством РФ утвержден ряд директивных документов, основным из которых является федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система».

Генеральный конструктор глобальной навигационной системы ГЛОНАСС - Сергей Николаевич Карутин (ТАСС, 21.09.2015).

 

Структура ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС в расширенной конфигурации включает в себя следующие составные части:

  • Космический комплекс системы ГЛОНАСС, состоящий из орбитальной группировки, средств выведения, наземного комплекса управления.
  • Функциональные дополнения, включая широкозонную систему функционального дополнения ГНСС – систему дифференциальных коррекций и мониторинга, а также региональные и локальные системы мониторинга и дифференциальной навигации.
  • Система высокоточной апостериорной эфемеридно-временной информации.
  • Средства фундаментального обеспечения ГЛОНАСС – системы оперативного определения параметров вращения и ориентации Земли, системы формирования государственной шкалы всемирного скоординированного времени, геодезической основы РФ.
  • Навигационная аппаратура потребителей для гражданского и специального применения.

Головная организация по развитию и использованию системы ГЛОНАСС - АО «Российские космические системы».
Головная организация по космическому комплексу ГЛОНАСС - АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва».
Оператор государственной автоматизированной информационной системы «ЭРА-ГЛОНАСС» - АО «ГЛОНАСС».
Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности - НП «ГЛОНАСС».
Оперативный круглосуточный мониторинг и подтверждение характеристик навигационного поля ГЛОНАСС осуществляет Информационно-аналитический центр координатно-временного и навигационного обеспечения ФГУП ЦНИИмаш.

 

Состав системы ГЛОНАСС

спутник системы глонасс

Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем:

  • подсистемы космических аппаратов (ПКА);
  • подсистемы контроля и управления (ПКУ);
  • навигационной аппаратуры потребителей (НАП).

Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в плоскостях положение спутников сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3-5 навигационных космических аппаратов (НКА). Кроме действующих НКА, на орбите находятся резервные спутники, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени.

 

Принцип работы

 Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности ( СТ ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС, возможность определения:

  • горизонтальных координат;
  • вертикальных координат;
  • составляющих вектора скорости;
  • точного времени.

Точности определения можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.

Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Универсального координированного времени (UTC).

 

«ЭРА-ГЛОНАСС»

Система «ЭРА-ГЛОНАСС» – отечественный комплекс оперативного реагирования на дорожные происшествия, призванный в автоматическом режиме оповещать службы спасения о произошедших на автотрассах ДТП. Внедрение системы помогает:

  • улучшить ситуацию на дорогах;
  • снизить число автоаварий со смертельным исходом;
  • ускорить прибытие на место происшествия спасателей, медиков и автоинспекторов;
  • обезопасить перевозку пассажиров и грузов.

В опытную эксплуатацию система была запущен в 2014 году. На январь 2018 года устройством оснащены около 1,5 млн автомобилей (по данным официального сайта оператора системы – АО «ГЛОНАСС»).

С 2018 года прекращается государственное финансирование оператора системы «ЭРА – ГЛОНАСС». АО «ГЛОНАСС» полностью перешел на самоокупаемость.

 

Запуски

  • 1982 - 1993 гг. 53 космических аппарата (КА) ГЛОНАСС, космодром "Байконур"
  • 1994 - 1995 гг. 18 КА ГЛОНАСС
  • 1996 - 1997 гг.  запуски не производились
  • 25 декабря 2002 г. 3 КА ГЛОНАСС
  • 10 декабря 2003 г. 2 КА ГЛОНАСС и 1 КА ГЛОНАСС-М
  • 26 декабря 2004 г. 2 КА ГЛОНАСС и 1 КА ГЛОНАСС-М
  • 25 декабря 2005 г. 1 КА ГЛОНАСС и 2 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", ракета-носитель (РН)                           "Протон-К". Результат успешный
  • 25 декабря 2006 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-К". Результат успешный
  • 26 октября 2007 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, комодром "Байконур", РН "Протон-К". Результат успешный
  • 25 декабря 2007 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-К". Результат успешный
  • 25 сентября 2008 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Результат успешный
  • 25 декабря 2008 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Результат успешный
  • 02 марта 2010 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Результат успешный
  • 02 сентября 2010 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Результат успешный
  • 05 декабря 2010 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Аварийный пуск
  • 26 февраля 2011 г. 1 КА ГЛОНАСС-К, космодром "Плесецк", РН "Союз-2-1Б". Результат успешный
  • 04 ноября 2011 г. 1 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур", РН "Протон-М". Результат успешный
  • 26 апреля 2013 г. 1 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк", РН "Союз-2-1Б". Результат успешный
  • 02 июля 2013 г. 3 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Байконур". РН "Протон-М". Аварийный пуск
  • 24 марта 2014 г. 1 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 14 июня 2014 г. 1 КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 01 декабря 2014 г. 1 КА ГЛОНАСС-К, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 07 февраля 2016 г. 1КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 29 мая 2016 г. 1КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 22 сентября 2017 г. 1КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 17 июня 2018 г. 1КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный
  • 3 ноября 2018 г. 1КА ГЛОНАСС-М, космодром "Плесецк". РН "Союз-2.1б". Результат успешный

 

Применение ГНСС ГЛОНАСС

Основные направления применения ГЛОНАСС на транспорте:

  • сухопутная навигация
  • автомобильный и железнодорожный транспорт
  • морская навигация
  • аэронавигация
  • навигация в космосе

По мере совершенствования глобальных навигационных спутниковых систем появляются новые области их применения, которые, в свою очередь, требуют дальнейшего повышения точности, доступности, оперативности и надежности навигационных услуг:

организация дорожного движения, в том числе по платным дорогам, оплата парковок, анализ дорожно-транспортных происшествий, определение страховых случаев, организация автоматического управления дорожной, строительной и сельскохозяйственной техникой, контроль «деформации» инженерных сооружений, синхронизация систем связи, банковских систем осуществления транзакций, энергетических систем, систем транспортировки нефти и газа, высокоточный мониторинг движения земной поверхности, фундаментальные научные исследования и многое другое.

 

ГЛОНАСС сегодня

На сегодняшний день космическая группировка системы ГЛОНАСС работает в составе 24 космических аппарата; 23 — это прежнее поколение «Глонасс-М», и один аппарат – это «Глонасс-К» нового поколения. На земле работают шесть аппаратов, то есть в случае необходимости можно дополнять группировку необходимым количеством.

С 2019 года планируется вводить еще одно новое поколение спутника – «Глонасс-К2». Глонасс-К2 будет отличаться от предшественников большей точностью определения пользователями своих координат, достигнутой благодаря новейшим хронометрам и новым типом сигналов с кодовым разделением (CDMA), которые будут передаваться на трёх частотах L-диапазона (L1, L2 и L3). Также планируется поддержка Коспас-Сарсат.

 На текущий момент орбитальная группировка состоит из 26 КА, из которых:

  • 24 КА используются по целевому назначению
  • 0 КА на этапе ввода в систему
  • 0 КА временно выведен на техническое обслуживание
  • 0 КА находятся на исследовании Главного конструктора системы
  • 1 КА находится в орбитальном резерве
  • 1 КА находится на этапе лётно-конструкторских испытаний

 При этом 14 спутников из группировки работают за пределами срока активного существования, еще 4 спутника преодолеют рубеж в ближайшие полтора месяца.