ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система) — радянська/російська радіонавігаційна супутникова система, розроблена на замовлення Міністерства оборони СРСР. Розгортання системи у космосі зроблено за допомогою супутників «Глонасс-К» та «Глонасс-М» (ГЛОНАСС 2-го покоління).

Логотип ГЛОНАСС

Основою системи є 24 супутники, що обертаються над поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах. Координати визначаються за принципом, узятим за аналогією американської системи глобального позиціонування GPS. Як альтернатива обом системам у Європі розробляється система Галілео.

Супутники системи ГЛОНАСС стало передають радіовипромінювання двох типів: навігаційний сигнал СТ діапазону L1 (1,6 ГГц) та навігаційний сигнал високої точності ВТ діапазонів L1 и L2 (1,2 ГГц).

Історія

Початок робіт по створенню системи ГЛОНАСС був покладений у грудні 1976 року.

Перший космічний апарат системи («Космос-1413») було запущено 12 жовтня 1982 року[1].

У листопаді 2009 року було оголошено, що Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань (Харків) та Російський науково-дослідний інститут космічного приладобудування (Москва) створять спільне підприємство. Партнери створять систему супутникової навігації заради обслуговування споживачів на території двох країн[2].

Навігація
Порівняння орбіт різних НС

Супутники ГЛОНАСС перебувають на орбіті середньою висотою 19 400 км[3] із нахилом 64,8° і періодом 11 годин 15 хвилин. Така орбіта більше придатна для застосування на високих широтах (північний і південний полярний регіон), де сигнал NAVSTAR приймається погано. Група супутників розгорнута в трьох орбітальних площинах, із 8 рівномірно розподіленими супутниками в кожній. Для створення глобального покриття необхідно 24 супутники, а для покриття території Росії необхідно 18 супутників. Сигнали передаються з направленістю в 38° з використанням правої кругової поляризації, із потужністю 316—500 Вт (EIRP 25-27 dBW).

Для визначення координат приймач повинен отримувати сигнал щонайменше від чотирьох супутників і розрахувати відстань до них. При використанні трьох супутників визначення координат ускладнене через помилки, що зумовлені неточністю годинника приймача[4][5].

FDMA-сигнали

Використовуються два типи сигналів: відкриті зі звичайною точністю і захищені з підвищеною точністю.

Сигнали передаються з використанням методу розширення спектру в прямій послідовності (DSSS) і модуляцією через двійкову фазову маніпуляцію (BPSK). Всі супутники використовують одну і ту саму псевдовипадкову кодову послідовність для передачі відкритих сигналів, однак кожен супутник здійснює передачу на різній частоті, з використанням 15-канального розділення частот (FDMA). Сигнал в діапазоні L1 перебуває на центральній частоті 1602 МГц, а частота передачі супутників визначається за формулою 1602 МГц + n × 0,5625 МГц, де n це номер частотного каналу (n=−7,−6,−5,…0,…,6, раніше n=0,…,13). Сигнал в діапазоні L2 знаходиться на центральній частоті 1246 МГц, а частота передачі кожного сигналу визначається за формулою 1246 МГц + n×0.4375 МГц. Протилежно розташовані апарати не можуть бути видними з поверхні Землі одночасно, тому 15 радіоканалів достатньо для 24 супутників.

Відкритий сигнал генерується шляхом додавання за модулем 2 трьох кодових послідовностей: псевдовипадкового дальномірного коду зі швидкістю 511 кбіт/c, навігаційного повідомлення зі швидкістю 50 біт/c, і 100 Гц манчестер-коду. Всі ці послідовності генеруються одним тактовим генератором. Псевдовипадковий код генерується 9-кроковим регістром зсуву з періодом 1 мс.

Навігаційне повідомлення відкритого сигналу транслюється неперервно зі швидкістю 50 біт/c. Суперкадр довжиною 7500 біт потребує 150 секунд (2,5 хвилини) для передачі повного повідомлення і складається з 5-ти кадрів по 1500 біт (30 секунд). Кожен кадр (фрейм) складається із 15 рядків по 100 біт (2 секунди на передачу кожного рядка), 85 біт (1,7 секунди) даних и контрольних сум і 15 біт (0,3 секунди) на маркер часу. Рядки 1-4 містять безпосередню інформацію про супутник і передаються заново в кожному кадрі; дані містять ефемериди, зсув тактових генераторів частот, а також відомості про стан супутника. Рядки 5-15 містять альманах; в кадрах I—IV передаються дані на 5 супутників в кожному, а в кадрі V — про решту чотири супутника.

Ефемериди оновлюються кожні 30 хвилин з використанням вимірювань наземного контрольного сегменту; використовується система координат ECEF (Earth Centered, Earth Fixed) для розташування і швидкості, а також передаються параметри прискорення під дією Сонця й Місяця. Альманах використовує модифіковані елементи орбіти Кеплера і оновлюється щоденно.

Захищений сигнал підвищеної точності призначається для авторизованих користувачів, таких як Збройні сили Російської Федерації. Сигнал передається у квадратурній модуляції з відкритим сигналом на тих самих частотах, але його псевдовипадковий код має в десять радів більшу швидкість передачі, що збільшує точність визначення координат. Хоча захищений сигнал не зашифровано, формат його псевдовипадкового коду й навігаційних повідомлень є секретним. За даними дослідників, навігаційне повідомлення захищеного сигналу L1 передається зі швидкістю 50 біт/c без використання манчестер-кода, суперкадр складається з 72 кадрів довжиною 500 біт, де кожен кадр містить 5 рядків довжиною 100 біт і потребує 10 секунд на передачу. Таким чином, загальне навігаційне повідомлення має довжину 36 000 біт і потребує для передачі 720 секунд (12 хвилин); передбачається, що додаткова інформація використовується для підвищення точності параметрів сонячно-місячних прискорень і корекції частоти тактових генераторів.

CDMA-сигнали

Із середини 2000-х років готується введення сигналів ГЛОНАСС з кодовим розділенням[6][7][8][9][10][11].

Формат і частоти нових сигналів остаточно не визначені. За попередніми даними розробників, в супутниках Глонасс-К2 буде два відкритих і два зашифрованих сигнали в форматі CDMA.

Відкритий сигнал L3OC передається на частоті 1202,025 МГц[12][13], використовує двійкову фазову маніпуляцію BPSK(10) для пілотного і інформаційного сигналів; псевдовипадковий далекомірний код транслюється з частотою 10,23 мільйонів імпульсів в секунду і модулюється на несучій частоті через квадратурну фазову маніпуляцію QPSK, при цьому пілотний і інформаційний сигнали рознесені по квадратурах модуляції: інформаційний сигнал перебуває в фазі, а пілотний — у квадратурі. Інформаційний сигнал додатково модульований 5-бітним кодом Баркера, а пілотний сигнал — 10-бітним кодом Ньюмана-Хоффмана[14].

Відкритий сигнал L1OC і захищений сигнал L1SC передаються на частоті 1600,995 МГц, а відкритий сигнал L2OC і захищений сигнал L2SC — на частоті 1248,06 МГц, перекриваючи діапазон сигналів формату FDMA. Відкриті сигнали L1OC і L2OC використовують Мультиплексування з поділом за часом для передавання пілотного і інформаційного сигналів; використовується модуляція BPSK(1) для інформаційного і BOC(1,1) для пілотного сигналів. Захищені широкосмугові сигнали L1SC і L2SC використовують модуляцію BOC(5,2,5) для пілотного і інформаційного сигналів, і передаються в квадратурі по відношенню до відкритих сигналів; при такому типі модуляції пік потужності зміщується на кінці частотного діапазону і захищений сигнал не заважає відкритому вузькосмуговому сигналу, що передається на несущій частоті [11][14].

Модуляція BOC (binary offset carrier, двійковий зсув носія) застосовується в сигналах систем Galileo і модернізованій GPS; в сигналах GLONASS і стандартній GPS застосовується Двійкова фазова маніпуляція (BPSK), однак і BPSK, і QPSK є частковими випадками квадратурної амплітудної модуляції (QAM-2 і QAM-4).

Навігаційне повідомлення сигналу L3OC передається зі швидкістю 100 біт/c. Один кадр розміром 1500 біт передається за 15 секунд і містить 5 текстових рядків, кожен довжиною 300 біт (3 секунди); у кожному кадрі містяться ефемериди поточного супутника і частина системного альманаху для трьох супутників. Суперкадр складається з 8 кадрів і має розмір 12000 біт, таким чином отримання альманаху для всіх 24-х супутників потребує 120 секунд (2 хвилини); у майбутньому суперкадр може бути розширений до 10 кадрів або 15000 біт (150 секунд або 2,5 хвилини на передавання) для підтримки роботи 30 супутників. У кожному рядку передається системний час; секунда координації UTC враховується подовженням (із заповненням нулями) або скороченням останнього рядка місяця на довжину в одну секунду (100 біт), скорочені рядки відкидаються апаратурою приймача[15].

Модернізація системи «Глонасс»
Серія космічного апарату Рік розгортання Стан Стабільність частоти Сигнали FDMA Сигнали CDMA Сумісні сигнали CDMA
1602 + n×0.5625 МГц 1246 + n×0.4375 МГц 1600.995 МГц 1248.06 МГц 1202.025 МГц 1575.42 МГц 1207.14 МГц 1176.45 МГц
«Глонасс»1982—2005Виведено із експлуатації5×10−13 L1OF, L1SFL2SF
«Глонасс-М»2003—2016В експлуатації1×10−13 L1OF, L1SFL2OF, L2SFL3OС†
«Глонасс-К1»2011, 2014Льотно-конструкторські випробування5×10−14-1×10-13 L1OF, L1SFL2OF, L2SFL3OС
«Глонасс-К2»2015—2024В розробці5×10−14 L1OF, L1SFL2OF, L2SFL1OC, L1SCL2OC, L2SCL3OC
«Глонасс-КМ»2025На стадії вивчення L1OF, L1SFL2OF, L2SFL1OC, L1SCL2OC, L2SCL3OC, L3SCL1OCML3OCML5OCM
«O»: відкритий сигнал стандартної точності / «S»: шифрований сигнал високої точності
«F»: частотне розділення каналів (FDMA) / «С»: кодове розділення каналів (CDMA)
n = −7,−6,−5,…,0,…,5,6.

†Супутники Глонасс-М оснащуються передавачами сигналу L3OC з 2014 року.

Точність

На сьогодні точність визначення координат системою ГЛОНАСС дещо гірша від аналогічних показників GPS[16][17][18].

Згідно з даними СДКМ[19] на 18 вересня 2012 року похибки навігаційних показників ГЛОНАСС (при p = 0,95) по довготі і широті становили 3—6 м при використанні в середньому 7—8 супутників (залежно від точки прийому сигналів). Тоді як похибки GPS становили 2—4 м при використанні в середньому 6—11 супутників (залежно від точки прийому сигналів).

При використанні обох навігаційних систем досягається суттєве підвищення точності. Європейський проект EGNOS, який використовує сигнали з обох систем[20], дозволяє отримати точність визначення координат на території Європи на рівні 1,5—3 метрів[21].

Проблеми функціонування

2 квітня 2014 року у системі ГЛОНАСС стався найзначніший збій у роботі за всю історію існування космічного угруповання. Проблеми почалися приблизно о першій годині (за московським часом) 2 квітня і тривали приблизно до полудня. За даними сайту ЦНДІМАШ, у зазначений відрізок часу всі 24 супутника системи ГЛОНАСС видавали некоректні дані, тобто система практично не працювала[22].

Після виправлення помилок (2015 року) систему ГЛОНАСС, за офіційними даними, здали в користування та у власність Міноборони РФ[23].

У середині лютого 2016 року стало відомо, що система ГЛОНАСС перестала функціонувати на деякий час. Три супутника вийшли з ладу й на орбіті залишилось 21, тоді як для роботи ГЛОНАСС потрібно не менше 24 супутників. Супутник «Глонасс-738» був ушкоджений у результаті вибуху (скоріше за все — акумулятора); «Глонасс-737» було виведено з експлуатації через розрядження акумуляторної батареї; «Глонасс-736» втратив необхідну позицію через те, що у нього помилково було включено двигуни[24].

З початку листопада 2017 року усі 24 супутники функціонують в штатному режимі[25].

Примітки
  1. 12 октября 1982 года - запуск на орбиту первого космического аппарата Глонасс. 12.10.2016. Архів оригіналу за 12 травня 2021. Процитовано 17.05.2017.
  2. Росія взяла Україну в ГЛОНАСС
  3. Современные ГНСС. Основные характеристики систем навигации. Информационный портал системы ГЛОНАСС. Архів оригіналу за 20 грудня 2014. Процитовано 1 грудня 2014.
  4. Основні елементи супутникової системи навігації Архівовано 30 грудня 2014 у Wayback Machine.: «Мінімальна кількість видимих супутників для визначення місцезнаходження користувача» // Інформаційно-аналітичний центр ГЛОНАСС
  5. Теоретичний курс підготовки капітанів, старших помічників капітана і вахтових помічників капітана. Частина 1. Судноводіння. // Морський навчальний центр NOVIKONTAS, стор. 84-85
  6. GLONASS Status and Progress Архівовано 14 червня 2011 у Wayback Machine., S.G.Revnivykh. «L1CR and L5R CDMA interoperable with GPS and Galileo». 47th CGSIC Meeting, September 2007
  7. GLONASS Status and Development, G.Stupak, 5th ICG Meeting. October 2010
  8. Russia Reveals CDMA Signal Plan as GLONASS Nears Full Operational Capacity Архівовано 26 листопада 2010 у Wayback Machine.. Inside GNSS. December 2010
  9. GLONASS Status and Modernization. Ekaterina Oleynik, Sergey Revnivykh, 51th CGSIG Meeting, September 2011
  10. GLONASS Status and Modernization. Sergey Revnivykh. 6th ICG Meeting, September 2011
  11. GLONASS Status and Modernization. Sergey Revnivykh. 7th ICG Meeting, November 2012
  12. http://www.insidegnss.com/auto/julyaug11-Dumas.pdf
  13. Инновация: ГЛОНАСС. Стратегии развития // Роскосмос, 2011
  14. GLONASS Modernization Yuri Urlichich, Valery Subbotin, Grigory Stupak, Vyacheslav Dvorkin, Alexander Povalyaev, Sergey Karutin, and Rudolf Bakitko, Russian Space Systems. GPS World, November 2011
  15. GLONASS: Developing Strategies for the Future. Yuri Urlichich, Valeriy Subbotin, Grigory Stupak, Vyacheslav Dvorkin, Alexander Povalyaev, and Sergey Karutin. GPS World, November 2011
  16. ГЛОНАСС. Архів оригіналу за 13 квітня 2014. Процитовано 13 квітня 2014.
  17. Почему показания GPS/ГЛОНАСС мониторинга отличаются от данных одометров. Архів оригіналу за 13 квітня 2014. Процитовано 13 квітня 2014.
  18. Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС, GLONASS). Архів оригіналу за 13 квітня 2014. Процитовано 13 квітня 2014.
  19. Російська система диференціальної корекції і моніторингу (СДКМ)
  20. http://www.esa.int/esaNA/GGGQI950NDC_egnos_0.html «The master control centres determine the accuracy of GPS and GLONASS signals received at each station»
  21. http://www.esa.int/esaNA/SEMKMQWO4HD_egnos_0.html «By correcting GPS signals, EGNOS gives an accuracy of down to 1.5 metres.»
  22. Роскосмос ищет причины сбоя ГЛОНАСС
  23. Навігаційні системи
  24. Роскосмос обещает восстановить ГЛОНАСС к середине марта. Известия. 18.02.2016. Процитовано 17.05.2017.
  25. Інформаційно-аналітичний центр координатно-частотного та навігаційного забезпечення

Див. також
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.