Навигационные системы ГЛОНАСС и GPS — от соперничества к альянсу

Спутниковой навигацией пользуются водители, велосипедисты, туристы – даже любители утренних пробежек отслеживают собственный маршрут при помощи спутников. Вместо того чтобы расспрашивать прохожих, как найти нужный дом, большинство предпочитают достать смартфон и задать этот вопрос ГЛОНАСС или GPS. Несмотря на то, что модули спутниковой навигации установлены в каждом смартфоне и в большинстве спортивных часов, только один человек из десяти понимает, как работает эта система и как в море девайсов с функциями GPS/ГЛОНАСС найти подходящий.

Как устроена спутниковая навигационная система

Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System: «система глобального позиционирования», если переводить дословно. Идея использовать спутники на околоземной орбите для определения координат наземных объектов появилась в 1950-е, сразу после того, как Советский Союз запустил первый искусственный спутник. Американские ученые отслеживали спутниковый сигнал и обнаружили, что его частота меняется, когда спутник приближается или отдаляется. Поэтому, зная свои точные координаты на Земле, можно вычислить и точное расположение спутника. Это наблюдение и дало толчок для разработки глобальной системы расчета координат.

Первоначально открытием заинтересовался флот – разработку начала военно-морская лаборатория, но со временем было решено создать единую систему для всех вооруженных сил. Первый спутник GPS вывели на орбиту 1978-м. Сейчас сигналы передают около тридцати спутников. Когда навигационная система заработала, военные ведомства США сделали подарок всем жителям планеты – открыли свободный доступ к спутникам, так что каждый может пользоваться Global Positioning System бесплатно, был бы приемник.

Вслед за американцами Роскосмос создал свою систему: первый спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1982 году. ГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая система, работающая по тому же принципу, что и американская. Сейчас на орбите находятся 24 российских спутника, которые обеспечивают координирование.

Чтобы воспользоваться одной из систем, а лучше двумя одновременно, нужен приемник, который будет получать сигналы от спутников, а также компьютер для расшифровки этих сигналов: местоположение объекта вычисляется, исходя из интервалов между полученными сигналами. Точность вычислений – плюс-минус 5 м.

Чем больше спутников «видит» устройство, тем больше информации может предоставить. Для определения координат навигатору достаточно увидеть всего два спутника, но если он запеленгует хотя бы четыре спутника, девайс сможет сообщить, например, скорость передвижения объекта. Поэтому современные навигационные устройства считывают все больше параметров:

• Географические координаты объекта.
• Скорость его передвижения.
• Высоту над уровнем моря.

Что такое ГЛОНАСС?

ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Разработка была начата Советским Союзом в 1976 году.

Первоначально создавалось и предназначалось для военных нужд, позже стало доступным для гражданского использования.

На сегодняшний день система слежения ГЛОНАСС использует в общей сложности 24 работающих спутника, вращающихся вокруг Земли в 3 орбитальных плоскостях в диапазоне высот 1900-2000 км. На орбитальную плоскость приходится 8 спутниковых слотов. Каждый день сателлиты огибают около двух Земных орбит под углом 64,8 ° градуса от экватора.

Преимуществом доступа к нескольким спутникам является точность, избыточность и доступность сигнала в любое время, в том числе при затрудненной видимости (здания, облака и др.)

До 2011 года российское правительство потратило около 5 миллиардов долларов на проект ГЛОНАСС и дополнительно инвестировало 320 миллиардов рублей (10 миллиардов долларов) на период с 2012 по 2020 год. ГЛОНАСС является самым дорогим проектом, когда-либо созданным Федеральным космическим агентством России.

Какие могут возникнуть погрешности в работе GPS/ГЛОНАСС

Спутниковая навигация хороша тем, что доступна круглосуточно из любой точки планеты. Где бы вы ни находились, если у вас есть приемник – вы сможете определить координаты и построить маршрут. Однако на практике сигнал спутников могут глушить физические препятствия или погодные катаклизмы: если вы проезжаете подземный туннель, а сверху к тому же бушует шторм, сигнал может не «добить» до приемника.

Эту проблему решили за счет технологии A-GPS: она предполагает, что приемник обращается через альтернативные каналы связи к серверу. Тот, в свою очередь, использует данные, полученные от спутников. Благодаря этому можно пользоваться навигационной системой в помещениях, туннелях, в непогоду. Технология A-GPS рассчитана на смартфоны и прочие персональные устройства, поэтому, выбирая навигатор или смартфон, уточняйте, поддерживает ли он этот стандарт. Так вы сможете быть уверенными, что устройство не подведет в ответственный момент.

Владельцы смартфонов иногда жалуются, что навигатор работает не точно или периодически «отключается», не определяет координаты. Как правило, это связано с тем, что в большинстве смартфонов функция GPS/ГЛОНАСС по умолчанию отключена. Для расчетов координат устройство использует сотовые вышки или беспроводной интернет. Проблема решается настройкой смартфона, активацией нужного способа определения координат. Также может потребоваться калибровка компаса или сброс настроек навигатора.

Что такое GPS?

GPS – Глобальная система позиционирования, космическая спутниковая навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении и времени при любых погодных условиях.

GPS использует 31 спутник, 24 из них работают одновременно. Спутники расположены в 6 равноотстоящих друг от друга орбитальных плоскостях на высоте 21150 км под углом 55 ° от экватора. Если какой-либо из спутников вышел из строя или нуждается в обслуживании, один из дополнительных 7 может занять его место.

Устройство-приёмник GPS принимает сигнал от 4 спутников в любой момент времени.

Широко используется в коммерческих устройствах, таких как мобильные телефоны, навигаторы и т. д.

Виды навигаторов

• Автомобильные. Навигационные система, завязанная на спутниках ГЛОНАСС или их американских аналогах, может быть частью бортового компьютера авто, но чаще покупают отдельные устройства. Они не только определяют координаты машины и позволяют без проблем добраться из пункта А в пункт Б, но также защищают от угона. Даже если злоумышленники угонят машину, ее можно будет отследить по маячку. Плюс специальных устройств для авто еще и в том, что они предусматривают установку антенны – за счет антенны можно усилить ГЛОНАСС-сигнал.
• Туристические. Если в автомобильный навигатор можно установить специальный набор карт, то к туристическим устройствам предъявляются более строгие требования: современные модели допускают использование расширенного набора карт. Однако самый простой туристический девайс – это только приемник сигнала с простейшим компьютером. Он может даже не отмечать координаты на карте, и тогда потребуется бумажная карта с навигационной сеткой. Впрочем, сейчас такие устройства покупают только из соображений экономии.
• Смартфоны, планшеты с GPS/ГЛОНАСС-приемником. Смартфоны также позволяют загрузить расширенный набор карт. Их можно использовать, как автомобильные и туристические навигаторы, главное – установить приложение и загрузить необходимые карты. Многие из полезных навигационных программ – бесплатные, но за некоторые нужно заплатить небольшую сумму.

Обзор спутниковых систем навигации

Исторические системы

Действующие спутниковые системы

Действующие региональные спутниковые системы

Применение ГЛОНАСС / GPS

Основное применение глобальных навигационных систем:

• Местоположение — определение точной геопозиции;
• Навигация – построение маршрутов передвижения;
• Отслеживание — мониторинг объекта или личного движения;
• Картографирование — создание мировых карт;
• Время — спутники оснащены атомными часами с точностью до наносекунд, с их помощью определяется точное мировое время.

Отрасли применения:

• Сельское хозяйство.
  
  Высокоточные позиционирующие продукты, обеспечивают повышение производительности, эффективности и экономию времени и затрат в сельскохозяйственной промышленности. Могут использоваться для помощи фермерам в уборке полей.
• Авиационно-космическая отрасль.
  
  Используется для навигации объектов авиации и космонавтики на земле или в воздухе.
• Автомобильная промышленность.
  
  Технология ГЛОНАСС обеспечивает точность, доступность и надежность, необходимые для обеспечения автономности транспортного средства.
• Строительство, горное дело.
  
  Широкий выбор инновационных продуктов мониторинга транспорта отличается высокой надежностью даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.
• Оборона.
  
  Используются в военных целях, а также аварийными бригадами для поиска людей, нуждающихся в помощи. Точные, надежные измерения положения и времени имеют решающее значение для успешных военных и спасательных операций.
• Мореплавание.
  
  Сигналы GPS/ГЛОНАСС дают морякам координаты с точностью до 9 метров.
• Картографирование, геодезия.
  
  Сбор геопространственных данных с использованием картографических датчиков, установленных на движущихся платформах, таких как автомобили, морские суда или самолеты. Технология ГЛОНАСС/GPS значительно повысила скорость и производительность профессиональных геодезистов благодаря использованию точности сантиметра на уровне, обеспечиваемой RTK-позиционированием.
• Беспилотные системы.
  
  Используются в широком спектре устройств: военных и оборонных, обнаружения мин, аэросъемки, автомобильной навигации, спорта. В недалеком будущем планируется использовать дроны с датчиками GPS/ГЛОНАСС для целей доставки.

Навигационные программы для смартфонов

Одна из самых простых программ, рассчитанных на тех, кто не хочет вникать в функционал: MapsWithMe. Она позволяет загрузить из сети карту нужного региона, чтобы затем пользоваться ею, даже если соединения с интернетом не будет. Программа покажет местоположение на карте, отыщет отмеченные на этой карте объекты – их можно сохранять в закладки и пользоваться потом быстрым поиском. На этом функционал исчерпывается. Программа использует только векторные карты – другие форматы загрузить нельзя.

Владельцы устройств на Android могут воспользоваться программой OsmAnd. Она подходит водителям и пешеходным туристам, поскольку позволяет автоматически проложить маршрут по автодорогам или горным тропинкам. ГЛОНАСС-навигатор будет вести вас по маршруту голосовыми командами. Кроме векторных карт, можно использовать растровые, а также отмечать путевые точки и записывать треки.

Ближайшая альтернатива OsmAnd – приложение Locus Map. Оно подойдет для пешеходных туристов, поскольку напоминает классическое навигационное устройство для туристов, какие были в ходу до появления смартфонов. Использует и векторные, и растровые карты.

Туристические устройства

Смартфоны и планшеты могут заменить специальное GPS/ГЛОНАСС-устройство для туризма, но у такого решения есть свои недостатки. С одной стороны, если есть смартфон, не нужно покупать никаких дополнительных девайсов. На большом ярком экране легко работать с картой, выбор приложений широкийо – мы указали всего несколько программ, охватить все предложения невозможно. Но у смартфона есть и недостатки:

• Быстро разряжается. В среднем устройство работает сутки, а в режиме постоянного поиска координат – и того меньше.
• Требует бережного обращения. Конечно, существуют защищенные смартфоны, но кроме того, что они дорогие, надежность такого смартфона все равно не сравнится со специальным туристическим ГЛОНАСС-устройством. Оно может быть полностью водонепроницаемым.

Для многодневных походов по дикой местности разработаны специализированные устройства, во влагозащищенных корпусах и с мощными аккумуляторами. Однако при выборе такого прибора важно уточнять, чтобы он поддерживал и векторные, и растровые карты. Растровая карта – это изображение, привязанное к координатам. Вы можете взять бумажную карту, отсканировать ее, связать с координатами ГЛОНАСС – и получится растровая карта. Векторные карты – не картинка, но набор объектов, которые программа размещает на изображении. Система позволяет запустить поиск по объектам, но самостоятельно создать подобную схему сложно.

Что лучше?

Что касается точности позиционирования, было бы неправильно называть одну из систем лучшей.

ГЛОНАСС имеет лучшее покрытие в высоких широтах (в основном в России и северных широтах), где трудно получить доступ к сигналам GPS. GPS же имеет высокий охват в низких и средних широтах и, следовательно, дает гораздо лучшую точность, чем ГЛОНАСС. Это дает ему преимущество над последним, поскольку охватывает регион, где проживает большая часть населения планеты.

При этом точность при навигации по городам значительно снижается из-за высотных зданий и инфраструктуры или из-за плохой погоды. В таких ситуациях в глобальном использовании ГЛОНАСС используется наряду с GPS для повышения точности позиционирования.

Было доказано, что устройства, имеющие как GPS, так и ГЛОНАСС-чипы, обеспечивают комбинированный доступ примерно к 55 спутникам. Это приводит к повышению точности определения местоположения, надежности и скорости. Эта комбинация также упоминается как двухъядерное устройство на основе определения местоположения, помогает пользователям в ситуациях, когда спутники, основанные на одной системе, могут быть недоступны или заблокированы вследствие внешних препятствий (здания, инфраструктура, облака).

Дифференциальное измерение

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

Кроме того, есть несколько систем, которые посылают потребителю уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до 10 сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

На 2009 год имелись следующие бесплатные системы предоставления поправок: американская система WAAS (GPS), европейская система EGNOS (Galileo), японская система MSAS (QZSS). Они основаны на нескольких передающих поправки геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ завершено к 2016.

Заключение

Подведя итоги, GPS, несомненно, более доступен и работает лучше в большинстве стран мира. Тем не менее, ГЛОНАСС важен для высокой точности, особенно в многолюдных городских районах.

Литература

• Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. — М. : ИКФ «Каталог», 2002. — 106 с.
• Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография : в 2 т.. — М. : Картгеоцентр, 2005. — Т. 1.
• Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография : в 2 т.. — М. : Картгеоцентр, 2006. — Т. 2.
• Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Картгеоцентр, 2004. — 355 с. — ISBN 5-86066-063-4.