GPS, ГЛОНАСС и другие системы глобальной спутниковой навигации: гайд от ГдеМои

Многие мобильные приложения и программное обеспечение используют GPS, ГЛОНАСС и другие системы глобальной спутниковой навигации. Первые из них были разработаны еще в середине прошлого века — и с тех пор каждый день в любое время суток и любую погоду помогают пользователям с точностью определять местоположение самых разных объектов.

Что такое современные ГНСС, какие есть системы спутниковой навигации и в чем разница между GPS и ГЛОНАСС? Читайте в формате ответов на вопросы.

Что такое глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)

Глобальная навигационная спутниковая система или ГНСС (GNSS) — это система наземного и космического оборудования, которая позволяет определять местоположение объектов в пространстве через прием и передачу спутникового сигнала.

Помимо координат современные навигационные системы способны вычислять скорость и направление движения любых объектов, которые могут принимать сигналы от навигационных спутников. Такие объекты называются ГНСС- или GNSS-приемниками.

Что входит в состав ГНСС

Глобальные навигационные спутниковые системы состоят из трех уровней: космического, наземного и пользовательского.

1. Космический уровень — это множество спутников от разных ГНСС-систем, которые находятся на околоземной орбите и посылают сигналы с определенной частотой.
2. Наземный уровень — это целая сеть следящих (или базовых) станций и антенн, которые отслеживают и корректируют положение навигационных спутников на орбите.
3. Пользовательский уровень — это все наши устройства, которые могут принимать сигналы со спутников GPS, ГЛОНАСС или других систем. Смартфоны, планшеты, ноутбуки, GPS-трекеры, навигаторы, роверы и другая техника, которая может определять свое местоположение, считается ГНСС-приемниками.

Как работает ГНСС

Для определения местоположения объекта как раз необходимы два важнейших сегмента глобальной навигационной спутниковой системы. Это созвездие спутников на орбите, которое отправляет сигнал, и устройства, которые эти сигналы способны принимать.

Принцип определения местоположения основан на измерении расстояния от объекта (ГНСС-приемника) до спутников навигационной системы. Положение и перемещение спутников всегда известно с высокой точностью — они сами отправляют на устройства пакеты данных со своими координатами. Расстояние от спутника до объекта можно определить по задержке между отправкой сигнала с данными и его получением ГНСС-приемником. Задержка во времени вычисляется по высокоточным атомным часам, которые стоят на спутниках.

Для понимания своих координат объекту нужно знать расстояние как минимум до 4 спутников — чтобы вычислить собственную высоту над уровнем моря, долготу и широту.

Чем больше задействовано спутников и чем сложнее геометрическую фигуру они образуют, тем точнее устройство сможет определить свое местоположение. Поэтому все навигационные спутниковые системы имеют от 5 спутников на орбите, а повсеместно используемые глобальные GPS и ГЛОНАСС — свыше 20.

Какие существуют ГНСС

В мировой навигации лидируют глобальные навигационные спутниковые системы второго поколения: американская GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская Beidou. Принцип их действия одинаковый — разница лишь в количестве спутников и их расположении на орбите.

Глобальный охват каждая из ГНСС-систем обеспечивает с помощью спутниковой группы из 18-30 спутников средней околоземной орбиты. Все они расположены между несколькими орбитальными плоскостями. Все системы используют наклоны орбит больше 50°, а их спутники движутся на высоте порядка 20 000 километров и выше.

На помощь глобальным системам, в первую очередь GPS и ГЛОНАСС, приходят региональные. Отдельные страны также разворачивают собственные навигационные системы для точности определения координат объектов на своей территории.

• DORIS — Франция,
• QZSS — Япония,
• NAVIC — Индия.

Не только GPS и ГЛОНАСС: что мы знаем о Beidou, Galileo, QZNSS и NavIC

В настоящий момент полностью задействованными по всему миру считаются такие ГНСС, как GPS и ГЛОНАСС. Работа их спутников развернута на территорию всей нашей планеты. Оставшиеся навигационные системы работают только в своем регионе или же в процессе развития своей глобальной спутниковой группировки.

Мы вкратце сравним Beidou, Galileo, QZSS и NAVIC.

Beidou: Китай

• Первый запуск: 2000 год.
• Покрытие: глобальное. После запуска системы Beidou 3-го поколения в 2020 году.
• Состав спутников: 48 аппаратов, в работе — 35.
• Типы орбит: средняя круговая, геостационарная, геосинхронная наклонная высокая.
• Высота: 21 500 километров.
• Время полного оборота: 12 ч 53 мин 24 с.

Galileo: Евросоюз

• Первый запуск: 2011 год.
• Покрытие: глобальное.
• Состав спутников: 23 аппарата, 1 в стадии запуска.
• Типы орбит: средневысокая.
• Высота: 23 222 км.
• Время полного оборота: 14 ч 4 мин 42 с.

QZSS: Япония

• Первый запуск: 2010 год.
• Покрытие: Тихоокеанско-Азиатский регион.
• Состав спутников: 5 аппаратов, в работе — 5.
• Типы орбит: геосинхронная высокая эллиптическая, геостационарная.
• Высота: 35 786 км.

NAVIC: Индия

• Первый запуск: 2013 год.
• Покрытие: Индия.
• Состав спутников: 8 аппаратов, в работе — 7.
• Типы орбит: геосинхронная.
• Высота: 36 000 км.

Какая спутниковая система используется в России

ГЛОНАСС — российская глобальная навигационная спутниковая система. Отечественная система считается одной из двух существующих в мире, которые приняты в эксплуатацию повсеместно. Поэтому большинство устройств, которые могут определять свое местоположение, оснащены навигационными чипами GPS/ГЛОНАСС — а не только GPS.

Спутниковая система России позволяет определять местоположение и скорость объектов в практически любой точке нашей планеты, а также в космическом пространстве вблизи Земного шара.

Основу орбитальной группировки ГНСС в трёх орбитальных плоскостях составляют космические аппараты «Глонасс-М» и космические аппараты нового поколения «Глонасс-К». Всего для работы требуется 24 аппарата, на данный момент на орбите находятся 26 спутников на высоте 19 100 километров.

Система спутников ГЛОНАСС

Штатная спутниковая группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников. Все они находятся на средневысотных околокруговых орбитах на высоте 19 100 километров. Угол наклона осей по орбитам составляет 64,8°, а полный оборот вокруг Земли каждый спутник совершает за 11 часов 15 минут и 44 секунды.

Такие характеристики оптимальны для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал системы американской GPS ощутимо слабее.

В штате космических аппаратов ГЛОНАСС числятся следующие спутники:

• «ГЛОНАСС» — использовались до 2005 года, выведены из эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-М» — в эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-К» — в эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-К2» — в разработке.

Что такое ГЛОНАСС-К2

ГЛОНАСС-К2 — это серия космических аппаратов российской глобальной навигационной системы третьего поколения.

От спутников предыдущих М-серий они отличаются в первую очередь более продолжительным сроком активной работы — 10 лет вместо 7.

Аппаратура новых спутников может работать в условиях открытого космоса, поэтому разработчики смогли отказаться от использования герметичного контейнера и уменьшить массу спутника. Представители К-серии весят всего 935 килограмм против предыдущих 1415.

Сравнение ГЛОНАСС и GPS

Две глобальные навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС начали разрабатываться практически одновременно — в 1970-х годах. США и Советский Союз изначально вели исследования и запуски в военных целях, но когда спутниковая навигация нашла свое применение в гражданских целях, то развитие американской и советской системы пошло по одинаковому сценарию.

В настоящее время каждая из ГНСС имеет на орбите полноценную орбитальную группировку, которая обеспечивает покрытие в глобальном масштабе.

Несмотря на схожесть в процессе разработки можно выделить следующие ключевые отличия систем GPS/ГЛОНАСС друг от друга.

Численность спутников на орбите.
GPS насчитывает 32 аппарата, а ГЛОНАСС — 26. Каждая ГНСС постоянно работает с 24.

Расположение спутников на орбите.
В системе GPS спутники занимают 6 плоскостей по 4 аппарата в каждой, в ГЛОНАСС — 8 спутников в трех плоскостях.

Синхронизация с Землей и корректировка точности.
Спутники GPS синхронизированы с вращением Земли. Поэтому для обеспечения точности GPS необходима целая цепочка геостационарных станций, которые отслеживают и корректируют неизбежные отклонения.

Спутники ГЛОНАСС движутся по орбите независимо от вращения Земли — для них проблема корректировки отсутствует.

Погрешность определения координат
Погрешность ГЛОНАСС выше, чем у GPS. Для отечественной системы эти значения колеблются от 3 до 6 метров, а для американской ГНСС — от 2 до 4 метров. Одновременное использование GPS/ГЛОНАСС сокращает погрешность до 1,5-3 метров.

Глобальное покрытие ГНСС
Ключевое преимущество GPS перед ГЛОНАСС — это 100% покрытие Земли, в то время как навигационный сигнал ГЛОНАСС доступен не во всех точках мира. Это также нивелируется совместным использованием GPS/ГЛОНАСС.

Покрытие в северных регионах
В северных регионах точность ГЛОНАСС ощутимо выше, чем у GPS. Это можно объяснить военным фактором — механика ГЛОНАСС рассчитывалась в первую очередь под войсковые группировки, которые находились на севере СССР.

Как работают GPS и ГЛОНАСС

Системы GPS/ГЛОНАСС работают по такому же принципу, как и другие глобальные навигационные спутниковые системы. Мы подробно рассказывали об их работе на примере использования GPS-трекеров.

Работает ли GPS в России: насколько вероятно отключение

GPS продолжает работу по всему миру, включая территорию России. Но в текущих условиях все больше пользователей задают вопрос: отключат ли GPS в России и как это отразится на пользователях. Короткий ответ: отключение GPS возможно, но крайне маловероятно.

• GPS — в первую очередь глобальная навигационная спутниковая система. Исключить из неё одну страну, при этом не затронув другие, кажется очень сложным, долгим и баснословно дорогим процессом. Для этого потребуется менять траекторию всех спутников на орбите. Напоминаем, это как минимум 24 аппарата.
• Россия не останется без спутниковой навигации даже в случае отключения GPS или отсутствия обновлений его метрик. Все современные устройства, которые выступают в качестве ГНСС-приемников, синхронизированы с другими глобальными спутниковыми системами — ГЛОНАСС, Beidou и Galileo.

GPS или ГЛОНАСС — какое устройство выбрать

На сегодняшний день все производители техники и разработчики программного обеспечения оснащают свои продукты возможностью единовременной работы с системами GPS/ГЛОНАСС, а также с другими ГНСС.

Двухсистемная навигация позволяет нивелировать недостатки каждой из ГНСС, а пользователям получать точный и качественный результат. Поэтому выбор GPS или ГЛОНАСС очевиден — это синергия.

Наша система мониторинга, фирменная линейка трекеров и мобильные приложения поддерживают работу с обеими спутниковыми системами. С помощью GPS/ГЛОНАСС мы ежедневно помогаем нашим клиентам с точностью отслеживать транспорт, сотрудников, грузы и работать с этими данными.

Узнайте больше о возможностях сервиса ГдеМои на нашем сайте.