GNSS - что это такое?

GNSS (Global Navigation Satellite System) - это глобальная навигационная спутниковая система, представляющая собой комплекс космических, наземных и пользовательских технических средств, предназначенных для определения местоположения, скорости движения и времени различных объектов на земной поверхности, в воздушном и морском пространствах. Иными словами, ГНСС - это спутниковая система, которая позволяет определять местоположение, скорость и время с высокой точностью практически в любой точке земного шара.

Истории развития GNSS

Идея создания глобальных навигационных спутниковых систем возникла еще в середине XX века. Первые шаги в этом направлении были сделаны в США, где в 1960-х годах была разработана система Transit, предназначенная для определения местоположения морских судов. В 1973 году начались работы по созданию более совершенной системы, получившей название Navstar GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Первый спутник GPS был запущен в 1978 году, а полная группировка из 24 спутников была развернута к 1994 году. Параллельно с развитием GPS, в СССР в 1970-х годах начались работы по созданию собственной глобальной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Первый спутник ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а полная группировка из 24 спутников была развернута к 1995 году. Помимо GPS и ГЛОНАСС, в мире существуют и другие ГНСС, такие как европейская Galileo, китайская BeiDou и индийская NavIC.

Что входит в состав ГНСС

В состав любой глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) входят три основных взаимосвязанных сегмента, обеспечивающих её функционирование и предоставление навигационных услуг конечным пользователям. Это космический, наземный и пользовательский сегменты. Космический сегмент представляет собой группировку навигационных спутников, которые находятся на различных орбитах вокруг Земли. Эти спутники постоянно излучают радиосигналы, содержащие данные об их местоположении, скорости и времени. Таким образом, космический сегмент служит источником навигационной информации для всех пользователей ГНСС по всему земному шару. Наземный сегмент состоит из сети наземных станций слежения, управления и контроля за работой спутников. Эти станции постоянно отслеживают параметры работы спутников, корректируют их орбиты и бортовые часы, обновляют передаваемую ими навигационную информацию. Наземный сегмент обеспечивает надежное и точное функционирование космического сегмента. Пользовательский сегмент включает в себя различные приемные устройства ГНСС, установленные на автомобилях, кораблях, самолетах, смартфонах и других объектах. Эти приемники принимают и обрабатывают сигналы от спутников, определяя на их основе текущие координаты, скорость и время. Пользовательский сегмент позволяет конечным потребителям получать навигационные данные и использовать их для решения широкого круга задач. Взаимодействие и слаженная работа всех трех сегментов ГНСС обеспечивает высокую точность определения местоположения, скорости и времени для самых разнообразных приложений и пользователей по всему миру.  

Какие существуют ГНСС

На сегодняшний день в мире существуют следующие глобальные навигационные спутниковые системы:

1. GPS (Global Positioning System) - американская система, управляемая Министерством обороны США.
2. ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) - российская система, управляемая Министерством обороны РФ.
3. Galileo - европейская система, управляемая Европейским космическим агентством.
4. BeiDou - китайская система, управляемая Китайским национальным космическим управлением.
5. NavIC (Navigation with Indian Constellation) - индийская система, управляемая Индийской организацией космических исследований.

Каждая из этих систем имеет свои особенности и характеристики, но все они работают по одному принципу - определение местоположения с помощью сигналов, передаваемых спутниками.

Как работает ГНСС

Принцип работы ГНСС основан на определении расстояния от приемника до нескольких спутников, находящихся на известных орбитах. Зная расстояние до нескольких спутников, приемник может определить свои координаты на земной поверхности. Для определения расстояния до спутника используется измерение времени прохождения сигнала от спутника до приемника. Каждый спутник ГНСС передает сигнал, в котором содержится информация о времени отправки этого сигнала. Приемник, получая эти сигналы, может определить время прохождения сигнала от спутника до себя, а значит, и расстояние до этого спутника. Чем больше спутников "видит" приемник, тем точнее он может определить свои координаты. Современные ГНСС обеспечивают определение местоположения с точностью от нескольких метров до нескольких сантиметров.

Частоты GNSS

Для передачи сигналов ГНСС используют несколько частотных диапазонов:

• L1 (1575,42 МГц) - основная частота, используемая всеми ГНСС. Именно она обеспечивает базовый уровень точности определения местоположения, скорости и времени. Сигналы в этом диапазоне могут проникать сквозь различные препятствия, такие как листва деревьев и тонкие стены зданий, что делает их более доступными в городской среде и лесистой местности.
• L2 (1227,60 МГц) - дополнительная частота, используемая для повышения точности. Сравнение сигналов, принимаемых на L1 и L2, позволяет компенсировать задержки, вызванные ионосферными искажениями, что значительно улучшает точность определения координат.
• L5 (1176,45 МГц) - новая частота, обеспечивающая более высокую помехозащищенность. Сигналы в этом диапазоне менее подвержены воздействию электромагнитных помех, что повышает надежность и доступность системы в сложных условиях, таких как городская застройка или горная местность.

Использование нескольких частот позволяет повысить точность определения местоположения, устойчивость к помехам и доступность сигнала в различных условиях.

Ошибки определения местоположения

Несмотря на высокую точность ГНСС, существуют различные факторы, которые могут влиять на точность определения местоположения:

1. Ионосферные и тропосферные задержки сигнала: Прохождение сигналов ГНСС через ионосферу и тропосферу приводит к их задержке, что вносит ошибки в определение местоположения. Факторы, влияющие на задержку, включают уровень солнечной активности, влажность воздуха, температуру и давление.
2. Многолучевое распространение сигнала: Отражение сигналов от близлежащих объектов, таких как здания, деревья или горы, приводит к многолучевому распространению, что искажает принимаемый сигнал и вносит ошибки в позиционирование.
3. Погрешности в эфемеридах спутников: Эфемериды, или орбитальные параметры спутников, используются для вычисления их местоположения. Любые неточности в этих данных будут влиять на точность определения положения пользователя.
4. Погрешности в часах спутников и приемников: Внутренние часы спутников и приемников ГНСС подвержены незначительным отклонениям, которые также вносят вклад в ошибки определения местоположения.
5. Влияние рельефа местности и застройки: В условиях сложного рельефа или плотной городской застройки сигналы ГНСС могут быть заблокированы или искажены, снижая точность позиционирования.

Для компенсации этих ошибок используются различные методы, такие как дифференциальная коррекция, фазовые измерения и комбинирование сигналов нескольких ГНСС. Применение этих технологий позволяет повысить точность определения местоположения до сантиметрового уровня в некоторых случаях.  

Преимущества GNSS

Основными преимуществами использования ГНСС являются:

1. Глобальный охват - ГНСС обеспечивают определение местоположения практически в любой точке земного шара, начиная от удаленных природных районов и заканчивая густонаселенными городами.
2. Высокая точность - современные ГНСС позволяют определять координаты с исключительной точностью от нескольких метров до нескольких сантиметров, что критически важно для многих отраслей, требующих высокоточного позиционирования.
3. Всепогодность - ГНСС работают в любых погодных условиях, будь то палящее солнце, проливной дождь или снежная метель, в отличие от уязвимых к атмосферным помехам наземных навигационных систем.
4. Непрерывность - ГНСС обеспечивают постоянное, непрерывное определение местоположения в режиме реального времени, что позволяет отслеживать перемещение объектов с высокой частотой.
5. Универсальность - ГНСС могут использоваться для решения широкого спектра задач в различных отраслях человеческой деятельности, от транспорта и геодезии до научных исследований и личной навигации.

 

Сферы применения GNSS

Глобальные навигационные спутниковые системы находят все более широкое применение во многих сферах человеческой деятельности:

1. Транспорт (автомобильный, авиационный, морской, железнодорожный) - для навигации, мониторинга перемещения, синхронизации расписаний и обеспечения безопасности.
2. Геодезия и картография - для высокоточного картографирования, кадастровых работ, геодезических изысканий.
3. Сельское и лесное хозяйство - для точного позиционирования сельскохозяйственной техники, мониторинга состояния полей и лесных угодий.
4. Строительство и горная промышленность - для геодезических работ, контроля землеройной техники, мониторинга состояния зданий и сооружений.
5. Энергетика и добыча полезных ископаемых - для навигации буровых установок, мониторинга трубопроводов, синхронизации энергетических сетей.
6. Телекоммуникации и синхронизация времени - для точной синхронизации сетей связи и распределенных систем.
7. Поисково-спасательные работы - для оперативного определения местоположения людей и техники в чрезвычайных ситуациях.
8. Научные исследования - для мониторинга окружающей среды, наблюдения за природными и техногенными процессами.
9. Личная навигация - для ориентирования и навигации с помощью современных смартфонов, фитнес-трекеров и других портативных устройств.

В современном мире ГНСС являются незаменимой технологией, обеспечивающей высокоточное определение местоположения, скорости и времени в самых разнообразных сферах человеческой деятельности, повышая эффективность, безопасность и качество выполняемых задач.