ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система.
Основоположником идеи использования спутников в навигации по праву считается профессор Шебшевич В.С. Она была озвучена им в 1957 году. Главной целью метода было обеспечение точности навигационных определений вне зависимости от погодных условий и времени суток.
Для достижения цели, в шестидесятых годах прошлого столетия, стала разрабатываться первая низкоорбитальная спутниковая система Цикада, которая была сдана и введена в эксплуатацию в 1979 году. Система Цикада включала в себя четыре навигационных спутника, выведенных на круговые орбиты высотой 1 000 километров, имевшие наклонение 83 градуса и равномерно распределенными вдоль экватора.
Получение плановых координат объекта осуществлялось посредством 5-6 минутного навигационного сеанса от спутников системы. При этом в качестве исходных данных использовались «беззапросные» дальности от объекта до спутников.
Успешный опыт использования системы Цикада для целей морской и воздушной навигации повлек за собой необходимость создания более мощной и универсальной навигационной спутниковой системы.
Так зародился проект ГЛОНАСС.
Стартом разработки и создания спутниковой системы ГЛОНАСС считается Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР от декабря 1976 года.
Геометрия системы для покрытия максимальной площади поверхности земного шара задумывалась следующим образом – на три спутниковых орбиты, имеющих наклонение 64,8 градуса, должно быть выведено 24 спутника (по 8 спутников на каждую орбиту). Средняя высота орбит спутниковой группировки ГЛОНАСС составляет 19 100 километров.
Для исключения необходимости использования корректирующих импульсов в системе использован период, имеющий значение 11 часов 15 минут 44 секунды.
Так как требования к точности спутниковых методов определений координат были высоки, разработчики системы ГЛОНАСС столкнулись с двумя серьезными проблемами.
Проблема номер один заключалась в необходимости взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды. Проблемой номер два была необходимость чрезвычайно точного прогнозирования (предопределения) параметров орбит спутников системы.
Для решения первой проблемы на космических аппаратах (спутниках) были установлены высокостабильные цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью 10-13. Наземный сегмент системы включал в себя водородный стандарт с относительной нестабильностью 10-14, а также средства сличения шкал с погрешностью 3-5 наносекунд.
Для решения второй проблемы пришлось провести ряд научных работ по учету светового давления, неравномерности вращения Земли, движения полюсов и прочих факторов второго порядка малости.
Запуск первого спутника «Ураган» навигационной системы ГЛОНАСС пришелся на 12-е октября 1982 года. По прошествии почти десяти лет, в апреле 1991 года система насчитывала уже 12 спутников, а 1995 год является годом полного развертывания системы, состоящей из 24 спутников первого поколения.
В 90-е годы финансирование и полноценная поддержка спутниковой системы ГЛОНАСС практически отсутствовали. Кроме того, срок службы спутников ГЛОНАСС первого поколения составлял всего 3-4 года. Как следствие – к 2002 году в спутниковой группировке осталось всего-навсего 7 космических аппаратов. Таким образом, система не могла обеспечить навигационные запросы даже на территории России, хотя геометрия системы подразумевает обеспечение навигационных решений в любой точке планеты.
В том же 2002 году открывается федеральная целевая программа по сохранению, поддержанию и дополнению спутниковой системы ГЛОНАСС, благодаря которой систему удалось спасти. С 2002 года система регулярно дополнялась спутниками нового поколения «ГЛОНАСС -М», была проведена модернизация наземного сегмента системы, а также средств государственного эталона времени и частоты. Усовершенствованы средства определений параметров вращения Земли. В течение нескольких лет достигнут уровень точности решений, сопоставимый с точностью американской системы GPS (NAVSTAR).
3 марта 2012 года выходит Постановление Правительства за номером 189 об открытии федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы».
В рамках программы предусмотрено:
По состоянию на 2018 год система ГЛОНАСС полностью развернута и функционирует. На орбитах находятся 26 навигационных спутников нового поколения «ГЛОНАСС-М» и «ГЛОНАСС-К».
Помимо системы ГЛОНАСС в настоящее время полноценно функционирует американская спутниковая система GPS, активно развертываются такие системы как китайская BeiDou, европейская Galileo и индийская IRNSS.
На сегодняшний день система ГЛОНАСС используется в таких направлениях, как:
В этой статье мы сделаем акцент на применении спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС в геодезической области.
Есть два основных метода получения координат с помощью спутниковых систем – абсолютный и относительный (дифференциальный). То есть, вне зависимости от того, какая спутниковая система используется (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo, IRNSS) эти методы являются неизменными.
Абсолютный метод спутниковых определений заключается в использовании одного лишь приемника спутниковых сигналов (ГНСС-приемника), который регистрирует дальности до спутников системы (например, ГЛОНАСС). Далее решается пространственная линейная засечка, результатом которой будет определение координат объекта (приемника). Точность определения координат абсолютным методом составляет несколько метров (как правило, не хуже 15-ти) и используется, в основном, в навигации.
При относительном (дифференциальном) методе используются, как минимум, два приемника спутниковых сигналов (ГНСС-приемники), один из которых расположен на точке с известными координатами, а второй установлен на определяемой точке. Первый традиционно называют опорным (базовым), а второй – подвижным (ровером).
В дифференциальном методе, по мере наблюдений, базовым приемником определяются разности между измеренными координатами и их известными значениями. Это позволяет сформировать поправки к измерениям на неизвестной точке, выполненным роверным приемником. В этом случае решение (определение координат неизвестной точки) осуществляется мгновенно и такой метод еще называют – «получение координат в реальном времени» (RTK). Точность дифференциального метода выше точности абсолютного метода за счет возможности исключения целого ряда погрешностей, присущих одиночному приемнику.
В относительном методе с постобработкой «сырые» спутниковые измерения регистрируются одновременно на известной и определяемой точке, а затем накопленные данные совместно обрабатываются в специальной офисной программе. В результате постобработки определяются параметры вектора, соединяющего опорную и определяемую точки. После задания опорной точке известных координат могут быть вычислены координаты определяемой точки. Такая методика спутниковых наблюдений и последующая обработка данных позволяет добиться точности определения координат на уровне первых миллиметров. Такой метод называют статическим или просто – «Статика».
Геодезия – точная наука, поэтому требования к точности спутниковых определений в геодезии высоки и допуски редко превышают несколько сантиметров.
Для выполнения спутниковых определений в геодезии используются современные ГНСС-приемники, способные принимать сигналы от спутниковых систем: российской ГЛОНАСС, американской GPS, китайской BeiDou, европейской Galileo и других.
Космические аппараты спутниковых систем передают сигналы на двух и более частотах (L1, L2 и т.д.). Современные геодезические ГНСС-приемники, имея многоканальные платы, способны принимать множество этих сигналов. Это значительно повышает точность, надежность и скорость определения координат, в том числе за счет исключения влияния ионосферы на скорость распространения сигналов.
Геодезические ГНСС-приемники имеют два основных типа конструкции – антенна интегрирована с приемником в едином корпусе (моноблок) и раздельное (модульное) решение, когда антенна соединяется с приемником кабелем.
Центром приема спутниковых сигналов будет являться фазовый центр антенны. Поэтому, для определения координат неизвестной точки, над ней надо точно располагать именно антенну ГНСС-приемника (в случае, если используется раздельное решение) или приемник с антенной, в случае, если используется конструкция-моноблок.
В геодезии, в основном, используют два метода спутниковых определений – это «Статика» и «RTK», которые были описаны выше. В первом случае достигается точность первых миллиметров, во втором – сантиметров. Однако «Статика» требует постобработки, а в режиме «RTK» координаты неизвестной точки будут определены практически мгновенно. Поэтому «Статику» резонней использовать для создания сетей сгущения и закладки базисов, а «RTK» для набора пикетажа (съемки точек) и выполнения разбивочных работ.
При этом нужно понимать, что для получения координат обоими методами необходимо с опорной и с определяемой точки принимать сигналы от одних и тех же спутников. Важно их количество и удачное геометрическое расположение на небосводе. Также, немаловажную роль играет удаление определяемой точки от опорной, так как ошибка определения координат будет расти линейно с увеличением расстояния.
Минимальное количество одновременно наблюдаемых спутников для режима «Статика» - четыре, для RTK – пять. Кроме того, сигналы от спутников, расположенных близко к горизонту, искажены сильнее и вносят погрешности в вычисления координат. Для работы в «Статике» рекомендовано удаление от базовой станции (опорной точки) не более, чем на 50-80 км, для «RTK» - не более 30 для двухчастотных ГНСС-приемников.
Как было перечислено выше, на точность и качество определения координат спутниковыми методами влияют такие факторы, как количество наблюдаемых спутников и геометрия их расположения.
Допустим, работы выполняются в условиях плотной городской застройки. В этом случае велика вероятность, что ГНСС-приемник будет расположен близко к стене какого-либо здания или находиться на улице между домов. Соответственно, часть небосвода будет для него закрыта. Если приемник способен принимать сигналы одной лишь спутниковой системы (например, GPS), то он «будет видеть» малое количество спутников этой группировки и вероятность получения решения в связи с этим снизится. Однако, если ГНСС-приемник является мульти-системным и способен принимать сигналы спутников, например, системы ГЛОНАСС, то в этом случае, он сможет получить решение, которое невозможно было получить при использовании только одной спутниковой группировки.
Это же распространяется на объекты с густой растительностью, где приходится устанавливать ГНСС-приемники на просеках или под кронами деревьев.
Более того, даже при работе на открытой местности, наличие «избыточных» спутников может пригодиться. Если сигналы некоторых наблюдаемых спутников сильно искажены, то в ходе постобработки их можно исключить из совместного решения. Тут и пригодится избыточность при наборе измерений!
Частенько ГЛОНАСС выручает при выполнении работ в северной части земного шара. Дело в том, что орбиты по которым перемещаются спутники ГЛОНАСС имеют больший наклон к экватору и расположены ближе к северному полюсу. При выполнении работ в северных широтах геометрия расположения спутников ГЛОНАСС будет лучше.
В современных геодезических ГНСС-приемниках реализованы технологии, позволяющие работать как от нескольких спутниковых систем одновременно, так и по одной из них выборочно, например, только по ГЛОНАСС.
Это может быть очень актуально, если владельцы спутниковой системы GPS по какой-то причине ограничат точность принимаемых сигналов для гражданских пользователей. ГЛОНАСС придет на помощь.
В нашей организации Вы сможете купить самое современное ГНСС-оборудование ведущих мировых брендов, а также отечественного производства. Менеджеры нашей компании подберут оборудование непосредственно для Ваших нужд, а технические специалисты ответят на все Ваши вопросы и, при необходимости, проведут полноценное обучение по работе с ним.
