Статья

GPS-гонка: России не хватает спутников

Телеком Интернет Наука Безопасность Бизнес Техника Интеграция Инфраструктура Веб-сервисы
мобильная версия

Несмотря на широкое распространение недорогих и точных приемников американской GPS, интерес во всем мире к национальным системам спутникового позиционирования продолжает нарастать. Фактически космические системы позиционирования пытаются создать (самостоятельно или в сотрудничестве) все страны, едва преодолевшие необходимую для этого технологическую планку. Все это происходит на фоне показательно доступных за пределами России услуг американской системы GPS (и, к тому же, бесплатно), причем с беспрецедентно высокой точностью. Встает вопрос - какова роль и место систем спутникового позиционирования в наши дни, какие у них перспективы? И, самое главное, – какая политика в этой области была бы наиболее уместна в нашей стране сегодня?

Содержание:

История спутниковой навигации
GPS и ГЛОНАСС: создание
GPS и ГЛОНАСС: эффективность и точность
Проблемы ГЛОНАСС
Государственная политика и перспективы ГЛОНАСС
Перспективы использования спутниковых систем позиционирования

Недавно были опубликованы сообщения о двух событиях в области высокоточного спутникового позиционирования, произошедших практически одновременно. Во-первых, китайская национальная система позиционирования на базе геостационарных спутников «Бэйдоу» с успешным запуском третьего из них стала способна обеспечивать пользователей данными об их положении в трех измерениях (широта, долгота, высота). Во-вторых, после долгих споров страны-участницы ESA вынесли окончательный вердикт – европейская система позиционирования «Галилео» будет создана.

Проект «Галилео» предусматривает развертывание орбитальной группировки из 30 спутников, в том числе резервных. Первый спутник должен выйти на орбиту в конце 2004 г., а к 2008 г. а система достигнет полной операционной готовности. Согласно расчетам, «Галилео» позволит значительно повысить точность прямого определения местоположения пользователя, доведя ее до одного метра без использования специальных режимов и дополнительных подсистем. Стоимость проекта составит ориентировочно $3,6 млрд.

В то же время, несмотря на широкое распространение GPS приемников по всему миру и начало работ по европейской системе позиционирования «Галилео», даже в нашей стране непросто найти человека, имевшего реальный опыт работы с отечественным аналогом GPS - системой ГЛОНАСС.

История спутниковой навигации

Навигационные системы первого поколения, построенные на базе низкоорбитальных спутников, разрабатывались и вводились в строй в 60–70 гг. В США была разработана система навигации для ВМС под названием NNSS (Navy Navigation Satellite System), впоследствии получила наименование TRANSIT. В ее состав входили спутники типа Oscar и Nova.

Спутник GPS block II F<br> (производство Boeing) 
Спутник GPS block II F (производство Boeing)
С 1967 г. TRANSIT находится в открытом коммерческом использовании, позволяя с помощью малогабаритных приемников GEOCEIVER определять координаты с субметровой точностью. С помощью этой системы, в частности, в СССР и затем в России в 1984–1993 гг. была создана допплеровская геодезическая сеть.

Помимо этого, в нашей стране разрабатывалась собственная аналогичная система – ЦИКАДА. К этому типу систем можно отнести и международную систему обнаружения терпящих бедствие КОСПАС-SARSAT. Но настоящую революцию в навигации и геодезии произвели спутниковые системы следующего поколения – GPS в США и ГЛОНАСС в СССР.

GPS и ГЛОНАСС: создание

GPS (Global Positioning System) – глобальная система позиционирования. Известна так же под именем NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging). Разработка GPS началась в 1973 г., в 1978 г. начат вывод спутников системы на орбиту. Признана готовой к эксплуатации в 1995 г., хотя еще до этого спутниковая навигация широко применялась как на транспорте и в быту, так и военными – в частности, в ходе войны в Персидском заливе в 1991 г.

Спутник GPS block II  R (производство Boeing) 
Спутник GPS block II R (производство Boeing)
ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) – стала разрабатываться в СССР также в середине 70-х гг. и в 1993 г. была официально принята в эксплуатацию МО РФ (Министерство обороны России).

Американская GPS и отечественная ГЛОНАСС концептуально аналогичны и отличаются некоторыми аспектами технической реализации. В их основе - орбитальные группировки спутников на круговых орбитах. Высота орбит такова, что спутники совершают примерно два оборота вокруг Земли в сутки (у GPS – высота орбиты 20150 км и период обращения 11 часов 57 минут, у ГЛОНАСС – 19100 км и 11 часов 16 минут соответственно).

Спутники распределены по нескольким орбитальным плоскостям – в ГЛОНАСС их три, в GPS – шесть. В обеих системах в полной конфигурации действуют 24 спутника плюс 3 резервных. Пользовательские приемники позволяют определить местоположение, регистрируя излучаемые видимыми в данной точке спутниками сигналы. Обе системы фактически дают возможность определять не только координаты, но и время с высокой точностью.

Точность определения координат после отключения режима селективного доступа с помощью приемников Trimble и Garmin: избирательный доступ отключен 1 мая 2000 г. (плот координат)

Точность определения координат после отключения режима селективного доступа с помощью приемников Trimble и Garmin: избирательный доступ отключен 1 мая 2000 г. (плот координат)

Источник: AGP.ru

Сама эта точность зависит от целого ряда факторов – как технических, так и политических. При использовании обычного приемника GPS удается получать точность порядка единиц метров. До 2000 г. сигнал GPS, предназначенный для обычных пользователей, намеренно искажался, что вело к снижению точности (так называемый режим селективного доступа).

GPS и ГЛОНАСС: эффективность и точность

Историческим стало решение президента Клинтона. Он 1 мая 2000 г. специальным распоряжение отменил загрубление сигналов. Ситуация изменилась разительно. Специальные режимы работы (дифференциальный, двухчастотный, фазовые измерения) позволяют получать точность намного более высокую. Например, измерения фазы несущей в GPS-приемниках (реализованные в серийной и имеющейся на рынке аппаратуре) позволяют получать точность определения расстояний между приемниками порядка 1 см + 1 мм на 1 км расстояния между ними.

Точность определения координат после отключения режима селективного доступа с помощью приемников Trimble и Garmin: избирательный доступ отключен 2 мая 2000 г. (плот координат)

Точность определения координат после отключения режима селективного доступа с помощью приемников Trimble и Garmin: избирательный доступ отключен 2 мая 2000 г. (плот координат)

Источник: AGP.ru

Не совсем ясно, какой уровень точности сможет обеспечивать ГЛОНАСС даже при гипотетической ситуации полного развертывания. Сообщалось, что ее удалось улучшить до 1 метра. Но и это не все.

Точность определения координат после отключения режима селективного доступа с помощью приемников Trimble и Garmin

Приёмник Ошибка 1s (м) Ошибка 2s (м) Ошибка 3s (м)
4700 1.3 2.6 2.9
Ag 132 0.85 1.7 2.5
GeoExplorer 3 1.9 3.9 5.8
NT300 4.8 9.7 14.6

Источник: AGP. ru

Открытость GPS привела не только к быстрому насыщению рынка недорогими, надежными и эффективными приемниками различных классов, но и к развитию большого числа вспомогательных сервисов и систем, значительно улучшивших точность позиционирования. К ним, в первую очередь, относятся широкозонные и региональные дифференциальные подсистемы. К числу первых относятся WAAS (Wide Area Augmentation System) на американском континенте, европейская EGNOS и японская MSAS, передающие через геостационарные спутники корректирующую информацию на приемники пользователей. Региональные дифференциальные системы начинают развиваться и в России, однако законодательные требования, обессмысливающие использование GPS, являются главным тормозом в их развитии.

Изменение точности определения координат в системе GPS до и после отмены режима селективного доступа

Изменение точности определения координат в системе GPS до и после отмены режима селективного доступа

Аббревиатуры:

  • SPS CEP AFTER TRANSITION – круговое вероятное отклонение (радиус окружности, куда попадут 50% всех измерений) после отключения режима селективного доступа.
  • SPS SEP AFTER TRANSITION – сферическое вероятное отклонение (радиус окружности, куда попадут 50% всех измерений) после отключения режима селективного доступа. Трехмерный аналог плоского CEP.

Источник: GME.net

Недавно, военное ведомство США запросило дополнительное финансирование в размере $90 млн. Эти средства будут использованы для модификации 20 новых спутников, запуск первого из которых состоится в 2004 г., а вся группировка должна вступить в строй к 2006 г. Утверждается, что это приведет к повышению мощности сигналов и повысит их устойчивость к атмосферным помехам, а также к помехам, создаваемым намеренно возможным противником. Таким образом, новые радиопередатчики повысят мощность излучаемых спутниками сигналов в восемь раз. Некоторые эксперты cчитают, что повышение мощности передатчиков преследует целью сохранить превосходство американской системы спутникового позиционирования над европейской гражданской системой Galileo, которая должна давать сигнал большей мощности, чем обеспечивают сейчас спутники системы GPS.

Спутники орбитальной группировки GPS (на 27 мая 2003 г.)

№ 
Спутника
Порядковый номер Миссия Дата запуска Орбита Начало эксплуатации Потеря КА Причина выхода из строя Продолжитель-
ность работы (мес.)
1 ** I-1 22-Фев.-78 ** 29-Март-78 25-Янв-80 Стандарт частоты 21.9
2 ** I-2 13-Май-78 ** 14-Июль-78 30-Авг-80 Стандарт частоты 25.5
3 ** I-3 6-Окт-78 ** 9-Нояб-78 19-Апр-92 Стандарт частоты 161.3
4 ** I-4 11-Дек-78 ** 8-Янв-79 27-Окт-86 Стандарт частоты 93.6
5 ** I-5 9-Фев-80 ** 27-Фев-80 28-Фев-83 Потеря ориентации 45
6 ** I-6 26-Апр-80 ** 16-Май-80 10-Дек-90 Потеря ориентации 126.8
7 ** I-7 18-Дек-81 ** ** ** Авария разгонного блока 0
8 ** I-8 14-Июль-83 ** 10-Авг-83 4-Май-93 Нет данных 116.8
9 ** I-9 13-Июнь-84 ** 19-Июль-84 25-Фев-94 Нет данных 115.2
10 ** I-10 8-Сен-84 ** 3-Окт-84 18-Нояб-95 Нет данных 133.5
11 ** I-11 9-Окт-85 ** 30-Окт-85 27-Фев-94 Нет данных 99.9
BLK I Сумма= 78.29 (годы)
Среднее= 7.12 (годы)
13 2 II-2 10-Июнь-89 B5 12-Июль-89 Действующий ** **
14 ** II-1 14-Фев-89 ** 14-Апр-89 14-Апр-00 Стандарт частоты 133.9
15 15 II-9 1-Окт-90 D5 20-Окт-90 Действующий ** **
16 ** II-3 17-Авг-89 ** 13-Сен-89 13-Окт-00 Стандарт частоты 134.9
17 17 II-5 11-Дек-89 D3 11-Янв-90 Действующий ** **
18 ** II-6 24-Янв-90 ** 14-Фев-90 18-Авг-00 Стандарт частоты 127.9
19 ** II-4 21-Окт-89 ** 14-Нояб-89 11-Сент-01 Нет данных 141.9
20 ** II-7 25-Март-90 ** 19-Апр-90 10-Май-96 Потеря ориентации 72.7
21 ** II-8 2-Авг-90 ** 31-Авг-90 27-Янв-03 Нет данных 161
22 22 IIA-18 2-Фев-93 B6 4-Апр-93 Действующий ** **
23 23 IIA-10 26-Нояб-90 E5 10-Дек-90 Действующий ** **
24 24 IIA-11 3-Июль-91 D1 30-Авг-91 Действующий ** **
25 25 IIA-12 23-Фев-92 A2 24-Март-92 Действующий ** **
26 26 IIA-14 7-Июль-92 F2 23-Июль-92 Действующий ** **
27 27 IIA-15 9-Сен-92 A4 30-Сен-92 Действующий ** **
28 ** IIA-13 9-Апр-92 ** 25-Апр-92 5-Май-97 Навигационное ПО 87.6
29 29 IIA-17 18-Дек-92 F5 5-Янв-93 Действующий ** **
30 30 IIA-27 12-Сен-96 B2 1-Окт-96 Действующий ** **
31 31 IIA-19 30-Март-93 C3 13-Апр-93 Действующий ** **
32 1 IIA-16 22-Нояб-92 F4 11-Дек-92 Действующий ** **
33 3 IIA-25 28-Март-96 C2 9-Апр-96 Действующий ** **
34 4 IIA-23 26-Окт-93 D4 1-Дек-93 Действующий ** **
35 5 IIA-22 30-Авг-93 B4 20-Сен-93 Действующий ** **
36 6 IIA-24 10-Март-94 C1 28-Март-94 Действующий ** **
37 7 IIA-20 13-Май-93 C4 12-Июнь-93 Действующий ** **
38 8 IIA-28 6-Нояб-97 A3 18-Дек-97 Действующий ** **
39 9 IIA-21 26-Июнь-93 A1 21-Июль-93 Действующий ** **
40 10 IIA-26 16-Июль-96 E3 15-Авг-96 Действующий ** **
42 12 IIR-1 17-Янв-97 ** ** ** Авария разгонного блока 0
43 13 IIR-2 22-Июль-97 F3 31-Янв-98 Действующий ** **
46 11 IIR-3 07-Окт-99 D2 03-Янв-00 Действующий ** **
51 20 IIR-4 11-Мая-00 E1 1-Июня-00 Действующий ** **
44 28 IIR-5 16-Июля-00 B3 17-Авг-00 Действующий ** **
41 14 IIR-6 10-Нояб-00 F1 10-Дек-00 Действующий ** **
54 18 IIR-7 30-Янв-01 E4 15-Фев-01 Действующий ** **
56 16 IIR-8 29-Янв-03 B1 19-Фев-03 Действующий ** **
45 21 IIR-9 31-Март-03 D3 12-Апр-03 Действующий ** **

Источник: AGP. ru

Проблемы ГЛОНАСС

Теоретически наивысшую точность определения местоположения дает использование сигналов спутников одновременно и американской, и российской систем. Но на практике ситуация выглядит несколько сложнее. Можно сказать, что ГЛОНАСС не оправдал ожиданий. При необходимости одновременной работы не менее 24 спутников в реальности их (в работоспособном состоянии) никогда не было больше 11-15. Например, по состоянию на январь 1999 г. на орбите работало 24 американских спутника, но при этом российских было всего 16, причем 5 из них в нерабочем состоянии. Но и это еще цветочки.

Неточность в определении расстояний приводила к тому, что в этот период реальная точность измерения местоположения с помощью российской ГЛОНАСС колебалась от 100 до 24000 метров, что не в полной мере отвечает потребностям высокоточной навигации и геодезии. Как следствие, федеральное авиационное управление США FAA приостановило процесс выработки технических стандартов на использование ГЛОНАСС. Так было, напомним, в 1999 г. Сейчас спутников осталось всего 8, и не все из них работают. По данным, на 5 мая 2003 г. работало всего семь спутников, к тому же неравномерно распределенных по орбитальным плоскостям.

Государственная политика и перспективы ГЛОНАСС

Состояние отечественной системы позиционирования в настоящее время не дает возможности эксплуатировать ее в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями по банальной причине – у страны нет на это ресурсов, и в обозримом будущем не предвидится. Стоимость эксплуатации столь сложных спутниковых систем будет во многом определяться продолжительностью работы самих спутников и частотой их замены. В этом отношении ГЛОНАСС опять явно уступает GPS.

Спутники орбитальной группировки ГЛОНАСС (на 5 мая 2003 г.)

Номер ГЛОНАСС Номер серия «Космос» Плоскость орбиты Частот. канал Дата запуска Начало работы Статус Окончание работы
784 2363 1/8 8 30.12.98 29.01.99 Рабочий
786 2362 1/7 7 30.12.98 29.01.99 Рабочий
783 2374 1/18 10 13.10.00 05.01.01 Рабочий
787 2375 1/17 5 13.10.00 04.11.00 Рабочий
788 2376 1/24 3 13.10.00 21.11.00 Рабочий
789 2381 1/03 12 01.12.01 04.01.02 Рабочий
790 2380 1/06 9 01.12.01 04.01.02 Рабочий
711 2382 1/05 1.12.01 Не функц.
791 2394 3/22 25.12.02 Не функц.
792 2395 3/21 25.12.02 Не функц.
793 2396 3/23 25.12.02 Не функц.

Источник: AGP. ru

Судя по опубликованным данным, самый старый из работавших в мае этого года спутников GPS был запущен в 1989 г. (возраст 14 лет), в то время как старейший спутник ГЛОНАСС – в 1998 г. (5 лет). По спутникам только первого поколения GPS (блок I), выводившимся на орбиты в конце 70-х – начале 80-х гг., средняя продолжительность функционирования составила 7,12 лет. Поддержание состояния орбитальной группировки с помощью недостаточно долговечных спутников приведет к значительному превышению стоимостью ее эксплуатации по сравнению с конкурентом – GPS.

В доведении ГЛОНАСС до рабочего состояния совместно с Россией было заинтересовано Европейское космическое агентство ESA, рассматривавшее подобный вариант в качестве альтернативы создания собственной полноценной системы «Галилео». Переговоры, однако, не увенчались успехом. Принято решение о создании «Галилео» исключительно силами европейских государств. Средства выделены, и, по всей видимости, к 2008 г. система будет введена в строй. А вот будет ли к тому времени существовать ГЛОНАСС, судить трудно.

 Спутник ГЛОНАСС
Спутник ГЛОНАСС
Однако одними лишь спутниками все проблемы ГЛОНАСС не исчерпываются – есть еще наземный сегмент, аппаратура пользователей. Без достаточного количества недорогих, удобных и надежных пользовательских приемников полноценная эксплуатация системы невозможна.

Состояние нашей промышленности не вселяет уверенности в то, что она способна самостоятельно обеспечить потребителей высококачественной серийной продукцией. А без массового производства невозможно ни доведение стоимости отдельного приемника до приемлемого уровня, ни отработка технологии. Ряд экспертов полагают, что ГЛОНАСС находится в тяжелейшем положении и не имеет перспектив как коммерческая система, а рынок наземной потребительской аппаратуры для ГЛОНАСС находится в «в коматозном состоянии и его нельзя сравнивать ни по объему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с GPS-рынком, имеющим почти десятилетнюю историю». При этом анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников также не выведет в этом тысячелетии ГЛОНАСС из этого состояния, так как цена этих приборов просто несопоставима со стоимостью GPS-комплексов, а рынок для них весьма незначителен и фактически исчерпывается только лишь задачами аэронавигационного обеспечения.

Спутник GPS block II (производство Boeing) 
Спутник GPS block II (производство Boeing)
В сложившихся условиях фактический запрет на массовое использование уже имеющихся на рынке GPS-приемников не только наносит тяжелейший вред отечественной промышленности, жизненно заинтересованной в высокоточных пространственных данных, но и лишает возможности привнести культуру работы с высокоточными пространственными данными в широкие массы. Ситуация в этой области привычно парадоксальна. Страна с одной из лучших в мире школ картографии не имеет открытых и доступных высокоточных карт местности – а значит, не имеет их вовсе (закрытые для широкого доступа карты тоже стремительно устаревают – причем тем быстрее, чем крупнее масштаб).

Ущерб государственным интересам, угрозу для которых сегодня в первую очередь представляет ситуация в экономике и в промышленности, вследствие запрета на широкое использование GPS трудно оценить - достаточно представить на секунду, что в России требовалось бы получение специального разрешение на приобретение импортного компьютера, программного обеспечения или мобильного телефона. Страна, у которой от былого могущества остались разве что территории, лишается самой возможности отобразить эти территории и навести на них порядок. Тем самым она лишается перспектив. А перспективы - как никогда заманчивы.

Перспективы использования спутниковых систем позиционирования

 Спутник Oscar системы Transit
Спутник Oscar системы Transit
Основные направления использования средств спутниковой навигации и геодезии классифицированы и многократно описаны. В первую очередь это:
  • Навигация морских, воздушных судов, наземных транспортных средств, а также космических аппаратов
  • Создание глобальной и высокоточной службы времени
  • Геодезические и картографические работы
  • Управление городским хозяйством и территориями
  • Мониторинг объектов и территорий
  • Военное дело
  • Устранение последствий природных и техногенных катастроф

Но это не все. Упомянутыми областями отнюдь не исчерпывается весь спектр задач, при решении которых GPS станет полезным или просто незаменимым. Сообщения о новых, подчас весьма необычных, сферах применения GPS, продолжают приходить регулярно, почти еженедельно. Вот только некоторые из них, о которых уже сообщалось ранее:

Максим Рахманов / CNews.ru