5.1. Условия для совместной работы.
Принципы построения, архитектура и виды предоставляемых услуг в системах Navstar и ГЛОНАСС практически одинаковы. Главные различия состоят в технической реализации, алгоритмах формирования навигационных сигналов на борту и системах отсчета времени и координат. Рабочие частотные диапазоны систем близки, что позволяет в одном навигационном приемнике использовать общие входные сигналы от GPS и ГЛОНАСС.
Видя это сходство, эксперты различных международных организаций (ICAO, IMO и др.) неоднократно высказывали мнение о целесообразности совместного применения двух систем. Комбинированная аппаратура Navstar GPS/ГЛОНАСС способна предоставить уникальные возможности для гражданских потребителей, обеспечив такую точность вычислений, которая близка к доступной сегодня только военным. Как зарубежные, так и российские производители навигационной аппаратуры готовы переориентироваться на производство комбинированных Navstar GPS/ГЛОНАСС - приёмников.
Что же необходимо для объединения этих технологий? Среди технических вопросов один из первоочередных - согласование различных систем отсчета времени и координат. Система отсчета времени ГЛОНАСС привязана к UTC (SU) - шкале времени Государственного эталона частоты и времени России, чем она и отличается от GPS, где время привязано к шкале UTC (NO). Системное время ГЛОНАСС формируется на основе шкалы центрального синхронизатора (аналогичного генератору Master Clocks в GPS), но между системным временем ГЛОНАСС и Navstar GPS существует постоянный сдвиг на целое число часов. Дело в том, что системное время ГЛОНАСС соответствует московскому, которое смещено относительно UTC на +3 часа, поэтому при совместном использовании необходима часовая коррекция. Кроме того, системное время ГЛОНАСС и Navstar GPS имеет секундное расхождение.
Поскольку шкалы времени как UTC (SU), так и универсальной системы отсчета UTC не непрерывны, они периодически корректируются (обычно 30 июня либо 31 декабря) на целое число секунд по собственным эталонам. Значение секундного расхождения может быть снижено за счет коррекции шкалы UTC (SU) Госэталона частоты и времени РФ. Последняя коррекция на 9 мкс, произведенная 26 ноября 1996 г., позволила уменьшить расхождение между UTC (SU) и UTC до уровня 1мкс.
Сейчас сведения о величине расхождения между UTC (SU) и системным временем ГЛОНАСС могут передаваться в ЦУС с точностью не хуже 0,1 мкс. По этим данным рассчитываются поправки, обеспечивающие переход от системного времени к UTS (SU), которые затем передаются в составе навигационного сообщения ГЛОНАСС для информирования потребителей о времени UTC с точностью не хуже 1 мкс.
По мнению экспертов, существующие различия систем отсчета времени и координат не являются принципиальными и могут быть устранены введением соответствующих преобразований.
Другой фактор, стоящий на пути сближения технологий GPS и ГЛОНАСС, - различие систем координат. В отличие от КА GPS, использующих систему координат WGS (World Geodesic System), cпутники ГЛОНАСС передают эфемеридную информацию в геоцентрической системе координат, которая носит официальное название «Параметры Земли 1999 года - ПЗ-90». Начало координат в ней расположено в центре масс Земли, а ось Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS). В настоящее время топографической службой МО выпущен справочник, в котором приведены способы преобразования координат из системы ПЗ-90 в WGS и наоборот.
Интеграция Navstar GPS и ГЛОНАСС, двух независимо функционирующих систем глобальной спутниковой навигации, сулит много выгод для гражданских пользователей, поэтому идею поддержали зарубежные поставщики навигационной аппаратуры.
Сама по себе точность навигационных определений в системе ГЛОНАСС выше, нежели в GPS, и составляет в годы максимальной солнечной активности 60 м для горизонтальных координат и 100 м для вертикальной, а в годы минимальной солнечной активности соответственно 30 и 50 м. Погрешности (с вероятностью 0,95) в GPS при максимальной солнечной активности не превышают 100 м для горизонтальных и 156 м - для вертикальной координаты.
При интеграции систем повышается их эффективность, поскольку, по сути, объединяются орбитальные группировки. Как известно, в ГЛОНАСС число орбитальных плоскостей в два раза меньше, чем в GPS, однако в каждой из них находится в два раза больше спутников. Наклонение орбитальных плоскостей ГЛОНАСС почти на 100 выше, чем в GPS. Это означает, что аппаратура потребителей может «видеть» КА ГЛОНАСС в таких точках орбиты (особенно на высоких широтах), где GPS-спутники просто недоступны.
5.2. Будущее космической навигации.
Дальнейшее совершенствование системы ГЛОНАСС будет осуществляться на базе спутников нового поколения ГЛОНАСС-М. В первую очередь, изменится структура навигационного сигнала. Радиосигнал, излучаемый в L2-диапазоне, будет содержать два одинаковых по мощности шумоподобных сигнала, сдвинутых в квадратуре (узкополосный и широкополосный), что позволит предоставить гражданским потребителям код стандартной точности в поддиапазоне L2 (1,25 ГГц).
Аналогичное решение было принято в США, где 5 января 1999 г. объявлено о выделении 400 млн. долл. на модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7 МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА, которые запускаются с 2005 г. Сигнал на частоте L2 намечено использовать для гражданских нужд, непосредственно не связанных с опасностью для жизни людей. Третий гражданский сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.
Система ГЛОНАСС будет совершенствоваться для достижения более высоких точностей (уже сейчас можно говорить о повышении точности в 5-10 раз). Повысить стабильность шкалы системного времени можно, изменив принцип формирования системного времени ГЛОНАСС, которое должно определяться как средневзвешенное из наблюдений наземных и бортовых часов. Это позволит существенно уменьшить расхождение между системным временем и UTC и поддерживать его на уровне не более 30 нс. В таком случае точность передачи сигналов UTC посредством ГЛОНАСС будет практически такой же, как в GPS.
Отказаться от использования UTC в качестве системы отсчета времени для «ГЛОНАСС-М» не планируется, следовательно, необходимость в периодической секундной коррекции остается. Поэтому для ГЛОНАСС-М разрабатываются определенные меры, направленные на обеспечение целостности навигационного сообщения в момент проведения секундной коррекции, а именно уведомление о предстоящей секундной коррекции, ее величине и знаке в навигационном сообщении.
5.3. Приемники Navstar GPS /ГЛОНАСC.
Надо отметить, что приемники Navstar GPS и ГЛОНАСС существенно различаются по их технической реализации. Первые используют более широкую полосу частот, чем GPS-устройства. В системе GPS применяется кодовое разделение каналов, благодаря чему все спутники излучают C/A-коды на общей несущей частоте 1575,42 МГц (L1). Частотное разделение каналов в ГЛОНАСС обуславливает излучение сигналов на разных несущих в диапазоне 1598,0625-1615,5 МГц (L1). Отсюда - в этих системах задействуются разные аппаратура формирования и алгоритмы обработки фазовых измерений.
Принцип действия комбинированного Navstar GPS/ГЛОНАСС - приемника поясним на примере АСН-22, разработанного Российским институтом радионавигации и времени (Санкт-Петербург) совместно с компанией DASA NFS (Германия). Он состоит из антенны с малошумящим усилителем (МШУ), ВЧ-блока, устройства обработки сигналов и общего навигационного процессора. Приемник может работать в трех режимах, выбираемых по внешней команде: только GPS, только ГЛОНАСС и Navstar GPS/ГЛОНАСС.
На входе устройства установлен фильтр зеркального канала, который распределяет сигнал по двум каналам для отдельных ВЧ-приёмников GPS и ГЛОНАСС. С выхода АЦП навигационные сигналы поступают на два коррелятора, 12-канальный GPS (напрямую) и 6-канальный ГЛОНАСС (через блок переключения каналов), которые работают с общей синхронизацией. Многоканальный приемник АСН-22 позволяет отслеживать C/A-код и фазу несущей L1 по всем каналам Navstar GPS и ГЛОНАСС.
На основании измерений и принятых сообщений навигационный процессор вычисляет координаты, вектор скорости и точное время, обеспечивающее «привязку» шкалы времени потребителя к шкале Госэталона координированного всемирного времени UTC (SU). Время первоначального определения зависит от числа каналов приемника и производительности навигационного процессора. Для АСН-22 оно составляет менее 90 с. (при достоверных начальных данных). Последующие координатно-временные определения выполняются с заданной периодичностью - обычно через 1с. и более. Восстановление слежения осуществляется за 3-5с.
Результаты вычислений могут выводиться вместе с электронной картой на встроенный дисплей, на экран портативного ПК или передаваться в диспетчерский пункт по радиоканалам спутниковых и наземных систем связи для отслеживания местонахождения подвижного объекта.
Навигационное оборудование чаще всего используется в системах слежения за местоположением транспортных средств, в которые входят мобильные объекты, пункты слежения за транспортом, диспетчерские пункты, УКВ-сети, сети сотовой и спутниковой связи. В настоящее время зарубежная и отечественная промышленность предлагает вполне достаточную номенклатуру Navstar GPS/ГЛОНАСС - приемников, различающихся числом каналов приема, скоростью обновления данных, временем вычислений, точностью определения координат и, конечно, стоимостью. С точки зрения конструктивного исполнения имеются устройства двух типов: автономные (с собственными источниками питания и средствами отображения) и в виде отдельных плат, встраиваемых в аппаратуру потребителя или ПК. Наиболее дешевый вариант - плата, которую можно совмещать с другими средствами связи (УКВ-радиостанцией, спутниковым терминалом и т.п.).
За рубежом комбинированные Navstar GPS/ГЛОНАСС - приемники выпускает ряд компаний, среди которых - 3S Navigation, Ashtech, JPS, Sokkia, Spectra Precision (США), Leicka (Швейцария) и др. В России массовое производство пока не налажено, но разработку таких приемников уже завершили РНИИ КП, КБ «НАВИС» (Москва), Российский институт радионавигации и времени, ЗАО «Котлин», фирма «Софт Нав» (Санкт-Петербург) и Ижевский радиозавод.
Одной из первых на российский рынок пришла компания 3G Navigation. Она является единственной западной фирмой, выпускающей «ГЛОНАСС» - приемники (L1, L2), которые используются для ионосферного зондирования и приема сигналов точного времени. Ее первое устройство R-100 было разработано в 1992 г., а впоследствии 3G Navigation создала ряд приемников (серии R-100/30 T и R-100/40T), обеспечивающих прием GPS/ГЛОНАСС - сигналов, дешифровку С/A- и P-кодов ГЛОНАСС и C/A-кода GPS. В состав комплекта поставки входят антенна с предусилителем и встраиваемые в ПК платы (от двух до шести, в зависимости от модификации).
Услуги глобальной спутниковой навигации используются все более активно. В ближайшее время объем продаж GPS-приемников может достичь 2 млрд долл. Основные причины - не только возможность определения своих координат, но и то, что платить за навигационные услуги не надо. Требуется лишь купить навигационный приемник.
Что же касается комбинированных Navstar GPS/ГЛОНАСС - приемников, то, несмотря на все перечисленные преимущества, они еще не получили широкого распространения. Массовый рынок, как известно, очень чувствителен к стоимости, а такие устройства не дёшевы. Что будет завтра, зависит от технологических решений. Радикальных изменений следует ожидать только после появления дешевых портативных Navstar GPS/ГЛОНАСС - приемников с малым энергопотреблением.