ГЛОНАСС вчера, сегодня и завтра

Многие из нас ощущали преимущества персональной навигации, используя навигационные приемники во время поездок на автомобиле, когда необходимо проехать к незнакомому пункту назначения. Число внедрений технологий спутниковой навигации лавинообразно растет, причем темпы этого роста можно сравнить лишь с динамикой развития средств мобильной связи. Практически все виды транспорта, энергетика, связь и такие далекие друг от друга области экономики, как разведка месторождений, транспортировка нефти и газа, сельское хозяйство и коммунальные службы, применяют сейчас и в будущем только расширят применение спутниковых навигационных систем для определения координат, синхронизации часов, организации контроля и управления объектами.

Назначение ГНСС

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) становятся по-настоящему глобальным средством мировой инфраструктуры. Однако масштабное применение технологий спутниковой навигации в базовых отраслях приводит к возникновению определенного риска зависимости экономики от работоспособности ГНСС. Этот риск становится существенным, когда национальная экономика попадает в зависимость от работоспособности системы, находящейся под контролем другого государства.

Речь идет о том, что наиболее широкое распространение во всем мире, в том числе и в России, получила американская система GPS. При сохранении монополии на навигационную деятельность у США возникает соблазн использовать систему GPS как средство политического давления. Практически открыто об этом говорится в национальной доктрине в отношении средств координатно-временного и навигационного обеспечения космического базирования, которая была утверждена президентом США в декабре 2004 года. Нужно учитывать, что в системе GPS возможно загрубление навигационных сигналов для гражданских потребителей и даже временное блокирование гражданских навигационных сигналов в определенных районах.

Наличие второй глобальной навигационной спутниковой системы, такой как ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС), позволит свести к минимуму риски попадания национальных экономик в «навигационную» зависимость от США. Это вполне осознают многие страны, которые не обладают и не имеют возможности обладать собственной ГНСС. Поэтому они заинтересованы в использовании именно комбинированных навигационных средств GPS/ГЛОНАСС.

В нашей стране применение отечественной системы спутниковой навигации должно стать обязательным условием в стратегических отраслях — на транспорте, в энергетике, связи, в сфере транспортировки нефти и газа. Причем неполную орбитальную группировку, сейчас состоящую из 16 спутников, нельзя рассматривать как сдерживающий фактор, поскольку потребительские системы могут внедряться на базе комбинированной ГЛОНАСС/GPS-аппаратуры. Таким образом, система ГЛОНАСС является ключевым элементом национальных средств координатно-временного и навигационного обеспечения и относится к особо важной государственной инфраструктуре, которая обеспечивает как национальную безопасность, так и экономическое развитие.

История создания и развития ГЛОНАСС

Идея создания спутниковой навигационной системы возникла еще в 1957 году во время запуска первого искусственного спутника Земли. Некоторые специалисты задумались, почему бы не использовать принимаемый со спутника сигнал для определения положения на Земле по измерениям доплеровского смещения частоты при известной орбите спутника и модели его движения. Через некоторое время появились системы Transit (США) и советская «Цикада», которые работали именно по этому принципу.

В декабре 1976 года было принято правительственное Постановление «О развертывании единой космической навигационной системы «Ураган». Первый спутник в составе этой системы был запущен 12 октября 1982 года, а развертывание всей штатной орбитальной группировки (ОГ) из 24 спутников завершилось 24 декабря 1995 года, практически одновременно с вводом в строй американской системы GPS.

Выбранные параметры ОГ и технологические возможности системы «Ураган» обеспечивали потребителю непрерывное глобальное предоставление навигационных услуг на поверхности Земли, в воздушном и околоземном космическом пространстве (до высот 2 тыс. км) почти со стопроцентной доступностью. Точности навигационных определений были таковы: по плановым координатам — 20 м, по высоте — 30 м, по скорости — 5 см/с, по времени — 0,7 мкс.

Решение о создании ГЛОНАСС принималось в условиях заметного отставания нашей страны от проводимых США разработок системы Navstar (GPS). Ряд технических характеристик отечественного решения отличался от принятых в системе GPS. Например, в ГЛОНАСС выбранные параметры ОГ обеспечивают, по сравнению с GPS, большую устойчивость движения навигационных спутников, что практически исключает необходимость проведения корректирующих маневров. Принятое в GPS кодовое разделение сигналов, в отличие от частотного разделения в системе ГЛОНАСС, упрощает создание массовой потребительской аппаратуры и позволяет неограниченно наращивать количество спутников на орбите. Но частотное разделение обеспечивает лучшую помехозащищенность. Так что можно констатировать, что уровень проектных решений систем ГЛОНАСС и GPS практически одинаков.

Еще в начале 90-х годов стало ясно, что ГНСС найдут самое широкое гражданское применение. Правительство РФ сделало в 1995 году заявление о предоставлении системы ГЛОНАСС для открытого гражданского использования; были взяты обязательства по предоставлению гражданских сигналов ГЛОНАСС всем потребителям на безвозмездной основе. Однако потом, из-за плачевного состояния экономики в 90-е годы, поддержание системы ГЛОНАСС практически не проводилось. Орбитальная группировка неуклонно сокращалась за счет выработки естественного ресурса спутников и достигла минимума к 2001 году, когда в ее составе остались только 6 работоспособных космических аппаратов (КА). Одновременно деградировал наземный комплекс управления.

В конце 90-х годов под вопросом стояло само дальнейшее существование ГЛОНАСС. Примерно в то же время Европа, понимая стратегическое значение глобальной навигации, приняла решение о создании собственной ГНСС Galileo. Наконец, в 2001 году Постановлением Правительства Российской Федерации была принята разработанная под руководством Российского авиационно-космического агентства (сейчас — Роскосмос) долгосрочная федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» на 2002–2011 годы, целью которой является восстановление системы ГЛОНАСС и ее широкое использование, в том числе в гражданской сфере. В редакции 2006 года эта программа послужила основополагающим документом строительства нынешней системы ГЛОНАСС.

Состав системы ГЛОНАСС

Многие потребители услуг спутниковой навигации, покупая навигационную аппаратуру потребителя (НАП), даже не задумываются о том, насколько сложна система, которая позволяет им в любое время и в любой точке Земли определять свои координаты, скорость, направление движения и осуществлять временную синхронизацию. Для решения этих задач НАП должна принимать навигационные радиосигналы космических аппаратов ГЛОНАСС, а их работу, в свою очередь, обеспечивает целый комплекс наземных средств управления. В составе отечественной ГНСС можно выделить:

• космический комплекс, включающий в себя ОГ, наземный комплекс управления (НКУ) и ракетно-космический комплекс (РКК);
• комплекс средств функциональных дополнений (ФД);
• средства фундаментального обеспечения;
• навигационную аппаратуру потребителя (НАП).

В штатном варианте ОГ системы ГЛОНАСС будет включать в себя 24 космических аппарата, размещенных на круговых орбитах высотой 19 100 км с наклонением 63,8 град. и  периодом обращения 11 ч 15 мин. Космические аппараты системы ГЛОНАСС равномерно распределены по трем орбитальным плоскостям (по восемь в каждой), что обеспечивает глобальное непрерывное покрытие поверхности Земли таким образом, чтобы в зоне видимости любого потребителя в любой момент находились минимум четыре навигационных спутника.

Наземный комплекс управления решает две основные задачи. Первая заключается в управлении ОГ, т. е. в контроле над состоянием бортовых систем КА, закладке на борт необходимых команд и специальной информации, в поддержании заданной конфигурации орбитальной группировки, планировании полета, проведении регламентных работ, принятии необходимых мер в нештатных ситуациях и во многом другом.

Вторая задача — эфемеридно-временное обеспечение спутников, т.е. передача им информации об их точном положении и расхождении бортовых часов с системной шкалой времени. Затем эта информация передается потребителям в навигационном сигнале. В задачи контура эфемеридно-временного обеспечения входят определение орбит навигационных КА, расхождений часов каждого спутника относительно системной шкалы времени, формирование и поддержание самой системной шкалы времени и ее синхронизация со шкалой времени государственного эталона времени и частоты, контроль характеристик навигационного поля, создаваемого ОГ ГЛОНАСС. Как любая система двойного назначения, ГЛОНАСС управляется из центра управления системой, который относится к ведению Минобороны России.

Неотъемлемой частью процесса навигационного обеспечения потребителей является работа систем функциональных дополнений, к которым относятся механизмы дифференциальной коррекции и мониторинга целостности систем ГЛОНАСС и GPS. Необходимость создания подобных систем продиктована следующими обстоятельствами:

• необходимость повышения точности определения координат в реальном времени, а также доставки информации о целостности с задержкой не более 6 с в соответствии с требованиями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и Международной морской организации (ИМО);
• недостаточная оперативность внутрисистемных методов контроля над целостностью и низкая надежность алгоритмов автономного мониторинга целостности;
• отсутствие в Российской Федерации единой независимой службы контроля над качеством навигационных услуг;
• сокращение затрат при использовании единого подхода к организации функциональных дополнений и созданию навигационных полей повышенной точности.

С учетом этих задач, текущего состояния и перспектив развития ГНСС в РФ создаются широкозонная, региональные и локальные системы функциональных дополнений. Интегрируясь друг с другом, эти системы образуют Федеральную систему дифференциальной коррекции и мониторинга (ФСДКМ), имеющую трехуровневую структуру (рис. 1). При этом каждый уровень является самостоятельной подсистемой, способной автономно решать задачи выработки и передачи корректирующей информации и сообщений о целостности систем ГЛОНАСС и GPS.

Текущее состояние ГЛОНАСС

Одним из основных направлений развития ГЛОНАСС является модернизация системы навигационных сигналов, поскольку именно их количество и типы определяют качество услуг, предоставляемых военным и гражданским потребителям, а также повышение точности эфемеридно-временного обеспечения.

Российская ГНСС находится сегодня на этапе смены поколений космических аппаратов, глубокой модернизации наземного комплекса управления. По состоянию на начало мая 2008 года орбитальная группировка системы состояла из 16 КА (рис. 2), из которых 14 спутников используются по целевому назначению, а два выведены на профилактические работы.

В нынешних условиях усредненный по суткам максимальный перерыв в навигационном обслуживании с использованием системы ГЛОНАСС на территории России составляет 2 ч, а в глобальном масштабе — 2,5 ч. Среднеквадратичная погрешность навигационных определений ГЛОНАСС с учетом реальной геометрии орбитальной группировки (без учета ошибок самого навигационного приемника и помех при распространении сигнала) составляет порядка 15 м. Для сравнения: точность навигационных определений в системе GPS составляет 1,7 м. Ее обеспечивают 30 КА в составе системы.

После запуска и ввода в эксплуатацию в 2008 году шести спутников на территории России планируется обеспечить непрерывное покрытие навигационного поля ГЛОНАСС. Глобальная непрерывная навигация будет достигнута после развертывания в 2009 году полной орбитальной группировки (24 КА). При этом точность навигационных определений в системе ГЛОНАСС должна быть доведена до уровня, сопоставимого с уровнем системы GPS.

Программа модернизации

Модернизация системы ГЛОНАСС (в том числе всех ее элементов, от космического комплекса до потребительской аппаратуры) предусмотрена в новой редакции ФЦП «Глобальная навигационная система», утвержденной Правительством Российской Федерации в июле 2006 года. В отношении космического комплекса ГЛОНАСС предусмотрено проведение мероприятий, обеспечивающих полное развертывание орбитальной группировки, повышение точности навигационных определений и доступности навигационных услуг ГЛОНАСС за счет увеличения надежности и стабильности работы бортовых и наземных систем космического комплекса.

Основу законченной ОГ из 24 космических аппаратов будут составлять КА второго поколения «Глонасс-М» с семилетним сроком активной эксплуатации, генерирующие два вида гражданских сигналов. В дальнейшем планируются запуск и летные испытания космического аппарата «Глонасс-К» с улучшенными тактико-техническими характеристиками и 10-летним сроком активного существования, который сможет формировать новые гражданские сигналы, обеспечивающие взаимодополняемость с зарубежными аналогами. Точность навигационных определений для гражданских потребителей должна быть доведена до уровня системы GPS за счет повышения стабильности бортового генератора частоты и дальнейшей модернизации наземного комплекса управления.

Сегодня на орбите находятся КА двух поколений — «Глонасс» и «Глонасс-М», предоставляющие потребителям разные услуги. КА первого поколения излучают открытые гражданские сигналы в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и закрытые военные навигационные радиосигналы в диапазонах L1 и L2 (1,25 ГГц). КА серии «Глонасс-М» (выводимые на орбиту с 2003 года) предоставляют как гражданским, так и военным потребителям по два навигационных сигнала в тех же диапазонах (L1 и L2), что позволяет повышать точность навигационных определений за счет исключения влияния ионосферы на прохождение спутниковых сигналов.

В отличие от системы GPS, в которой применяется технология кодового разделения сигнала (все спутники излучают сигнал на одной несущей частоте), в рамках ГЛОНАСС используется технология частотного разделения (каждый спутник излучает навигационный сигнал на своей несущей частоте). Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому, стремясь к сбалансированному развитию системы ГЛОНАСС, ее разработчики введут на аппаратах новой серии «Глонасс-К» новые сигналы с частотным разделением каналов в диапазоне L3 (1,2 ГГц), а также сигналы с кодовым разделением каналов на частотах 1,575 ГГц (диапазон L1) и 1,176 МГц (диапазон L5). Эти сигналы состоят из двух компонентов несущей частоты, расположенных в фазовых квадратурах относительно друг друга. Каждый компонент несущей модулируется отдельной битовой последовательностью. На рис. 3 показана структура системы навигационных сигналов ГЛОНАСС с КА серии «Глонасс-К».

Модернизация наземного комплекса управления предусматривает, прежде всего, развертывание сети беззапросных измерительных станций на пунктах Минобороны России и дальнейшее ее расширение за счет использования пунктов геодезической сети и пунктов государственной службы времени и частоты. Планируется развивать сеть измерительных средств и за пределами Российской Федерации в рамках международного сотрудничества. В комбинации с развертыванием системы дифференциальной коррекции и мониторинга система ГЛОНАСС сможет предоставить потребителям навигационные услуги, отвечающие перспективным требованиям точности, доступности и целостности. На рис. 4 отображены этапы повышения точностных характеристик системы ГЛОНАСС.

Международное сотрудничество

В силу глобального характера навигационного обслуживания клиентов с помощью ГНСС международное сотрудничество в этой области является объективной необходимостью. В перспективе можно говорить о создании международной «системы систем», которая состоит из отдельных ГНСС, находящихся под управлением разных государств, но работающих совместно и взаимодополняющих друг друга. Основу «системы систем» имеют все шансы составить уже действующие системы GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Через несколько лет на этом международном рынке появится европейская система Galileo. КНР объявила о создании своей ГНСС COMPASS. Япония и Индия вынашивают планы строительства региональных навигационных спутниковых систем QZSS и IRNSS соответственно.

Двусторонние консультации выявили основные направления международного сотрудничества. В первую очередь, речь идет об обеспечении совместимости навигационных систем и их взаимодополняемости.

Совместимость означает, что разные системы могут функционировать независимо друг от друга, не создавая каких-либо помех навигационным сигналам других независимых систем. Вопросы электромагнитной совместимости ГНСС решаются в Международном союзе электросвязи в ходе согласования частотных диапазонов и структуры сигналов.

Взаимодополняемость заключается в обеспечении возможности применять сигналы разных систем в навигационной потребительской аппаратуре при минимальных затратах на создание комбинированных устройств. Интеграция систем на уровне потребительской техники приведет к увеличению точности и надежности решения задач координатно-временного и навигационного обеспечения по сравнению с использованием какой-либо одной системы.

Взаимодополняемость ГНСС делится на три основные составляющие: взаимодополняемость по навигационным сигналам, по используемым системам координат и по шкалам системного времени. В последнее время наблюдается общая тенденция сведения национальных систем координат к Международной земной системе координат, которая получена и постоянно уточняется с использованием различных технологий в рамках международных геодезических организаций. Аналогичная ситуация прослеживается и в отношении согласования системных шкал времени с единой Всемирной шкалой скоординированного времени.

Отдельные усилия направлены на определение новых единых гражданских сигналов, которые по возможности должны излучаться всеми навигационными системами. В качестве их основы предложено рассмотреть сигналы с кодовым разделением каналов L1C в диапазоне L1 GPS и L5 в диапазоне GPS. Нужные соглашения уже достигнуты между администрациями систем GPS и Galileo, GPS и QZSS, GPS и IRNSS. Проводятся консультации по этому вопросу между США и Россией в рамках созданной рабочей группы по обеспечению взаимодополняемости. Ожидается, что окончательные решения должны быть приняты уже в текущем году.

Важный вектор международного сотрудничества — формирование мирового рынка навигационных услуг, особенно в развивающихся странах, где массовое внедрение технологий спутниковой навигации может придать значительный импульс развитию национальных экономик.

Григорий Ступак, доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора — генерального конструктора; Вячеслав Дворкин, кандидат технических наук, руководитель центра; Сергей Карутин, кандидат технических наук, заместитель руководителя центра ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» (РНИИ КП); contact@rniikp.ru