Что такое ГЛОНАСС?
Что такое GPS?
Проведем небольшой обзор этих двух систем.
ГЛОНАСС и GPS - это системы глобального спутникового позиционирования, которые позволяют определить точные координаты в трех измерениях любого объекта на поверхности (или вблизи поверхности) Земли. На данный момент это две основные и работающие системы в мире. Какие же у них различия и что общего?
Что такое GPS?
В английском языке аббревиатура GPS обозначает «Global Positioning System» и переводится как «глобальная система позиционирования» - американская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны США.
Что такое ГЛОНАСС?
Аббревиатура ГЛОНАСС расшифровывается как «ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система» - сначала советская, а затем российская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.
Когда появилась идея спутниковой навигации?
Спутниковая навигация в виде идеи зародилась еще в те времена, когда СССР запустил в космос первый искусственный спутник Земли, т.е. в тысяча девятьсот пятидесятые годы. Наблюдая и изучая сигналы, исходящие от этого спутника ученые обнаружили, что используя их особым образом и зная координаты спутника можно с большой точностью определять свои координаты. После этого открытия военные ведомства США и СССР принялись вести разработки в области создания глобальной навигационной спутниковой системы.
Система GPS
Первый тестовый спутник системы GPS был выведен на орбиту Соединенными Штатами лишь через 20 лет после появления идеи спутниковой навигации, в 1974 году. Еще через 20 лет система GPS была доукомплектована необходимым количеством спутников (24 штуки) и в таком виде была принята на вооружение. После этого стало возможным использование системы GPS в военных целях для точного наведения ракет на наземные и воздушные цели.
Система ГЛОНАСС
Советский Союз свой первый спутник ГЛОНАСС вывел на орбиту лишь в 1982 году, но уже в декабре 1995 года система ГЛОНАСС была доведена до полного штатного количества из 24 спутников.
Официально, обе системы навигации (GPS в США, ГЛОНАСС в РФ) были приняты в эксплуатацию в 1993 году!
К сожалению, в дальнейшем финансирование системы ГЛОНАСС прекратилось и в 2001 году на орбите в рабочем состоянии осталось лишь шесть спутников. В 2001 году в России была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». Согласно этой программе к концу 2009 года система ГЛОНАСС должна была быть полностью укомплектована 24 спутниками и функционировать в полноценном штатном состоянии.
Что общего в системах GPS и ГЛОНАСС?
Несмотря на то, что изначально системы навигации разрабатывались для военных целей, в наше время GPS и ГЛОНАСС активно используются в мирных целях. Область применения спутниковых систем постоянно расширяется, а технологии стремительно развиваются. Уже повсюду, в обычных магазинах продаются навигаторы для автомобилей, для людей, для животных, приемники сигналов GPS встраивают в мобильные телефоны, КПК. Любой человек может видеть свое местонахождение на карте, скорость передвижения, легко и быстро прокладывать маршруты и находить на карте необходимые адреса, или, установив приемники спутниковых систем навигации на другие подвижные объекты, следить за всеми передвижениями этих объектов.
Принцип измерения координат российской системы ГЛОНАСС аналогичен американской системе GPS.
Чем отличаются ГЛОНАСС и GPS?
Главным отличием двух систем спутниковой навигации является государственная принадлежность. Причем условия получения сигналов системы GPS не являются на 100% гарантированными и полностью зависят от политики министерства обороны США.
В техническом смысле основным отличием ГЛОНАСС от GPS является то, что спутники ГЛОНАСС в своем движении по орбите не синхронизированы с вращением Земли. Это обеспечивает им большую стабильность и не требует корректировок в течение всего срока эксплуатации каждого спутника. Тем не менее, спутники ГЛОНАСС имеют гораздо более короткий срок службы.
Необходимость определения своего местоположения, а еще лучше точных географических координат, во все времена была первоочередной задачей мореплавателей, путешественников и военных. Именно для решения военных задач во второй половине 20 века и была задумана глобальная навигационная система. Зародилась идея в США, где уже в 1964 году появилась первая позиционирования, предназначенная для военных целей. В СССР своя система определения местоположения была запущена в 1967 году.
Первые системы были очень несовершенны, точность определения координат была слабой, навигационные спутники часто выходили из строя и свое местоположение можно было узнать примерно раз в 2 часа. Но сама идея была прорывной, и именно на этих первых системах отрабатывалось и доводилось до ума то, что сегодня мы называем навигационной системой определения местоположения. Давайте разберемся, как же работает спутниковая система навигации.
Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС
Физические принципы работы навигационной системы
Общий алгоритм работы системы GPS и ГЛОНАСС
- Основная идея;
- Определение расстояния до спутников;
- Синхронизация по времени;
- Определение положения спутника на орбите;
- Корректировка погрешностей.
Основная идея
С появлением искусственных спутников Земли и установкой на них передатчиков радиосигнала гигагерцовой частоты, появилась возможность принимать от них этот сигнал над достаточно обширной территорией. Если измерить точное расстояние до 3-х спутников, то при совмещении 3-х сфер, радиус которых и есть расстояние до спутников, они пересекутся в единственной точке, которая и будет вашим местоположением. Дальнейшие расчеты показали, что для гарантированного наблюдения 3-х спутников с территории любой точки Земли, необходимо запустить 18 передатчиков. А для дополнительного определения положения над поверхностью Земли и точной корректировки времени необходимы данные еще с одного спутника. Соответственно 24 спутника будет достаточно для полного определения координат в любой точке земного шара.
Ударная сила №115: «Космический навигатор»
Определение расстояния до спутников
Из школы мы знаем, что для определения расстояния необходимо скорость объекта умножить на время. Соответственно, зная скорость распространения сигнала, а в вакууме это скорость света, и время его прохождения можно легко рассчитать путь, те есть расстояние до спутника. Чтобы определить промежуток времени необходимо знать точное время подачи и приема сигнала. Для этого на спутнике устанавливаются очень точные атомные часы, и время подачи сигнала записывается и передается отдельным пакетом данных.
На земле навигационный приемник, принимая сигнал, засекает время приема и отнимает от него полученное отдельно время подачи сигнала. Полученный отрезок времени и будет временем прохождения сигнала от спутника до приемника. После умножения данного временного отрезка на скорость света и получится искомое расстояние до спутника.
Система GPS слежения
Синхронизация по времени
Итак, для определения местоположения теоретически необходимо провести измерения расстояний до трех любых спутников. Но в бытовых приемниках навигационных сигналов стоят обычные кварцевые часы, имеющие определенную погрешность. Поэтому для того, чтобы на практике правильно определить местоположение необходимо произвести еще одно измерение до четвертого спутника. Имея четыре измерения расстояний можно с помощью специально созданной компьютерной программы синхронизировать время спутников со временем приемника и определить точное местоположение.
Определение положения спутника на орбите
При проведении расчетов очень важно знать точное место спутника в момент подачи радиосигнала. С помощью компьютеров производится расчет точного положения спутника на орбите через заданные очень маленькие промежутки времени. Эта информация заноситься в память компьютера установленного на спутнике и передается в излучаемом им сигнале.
Корректировка погрешностей
- При любых измерениях существует вероятность ошибок . Источниками ошибок в нашем случае являются преимущественно два фактора: погрешности измерения времени и прохождения радиосигнала через ионосферу Земли.
- Погрешности при измерении времени будут всегда . Просто невозможно сделать часы, сохраняющие точность на протяжении всего времени эксплуатации – все равно понадобиться корректировка набегающей погрешности измерения.
- Еще одно узкое место при расчете расстояния – наличие у Земли ионосферы. Через ионосферу по законам физики радиосигнал не может распространяться со скоростью света, поэтому формула определения пути на этом участке будет рассчитываться неправильно.
- Для того чтобы минимизировать влияние этих факторов вводят так называемые корректировочные коэффициенты , с помощью которых удается значительно улучшить точность вычисления местоположения.
Существующие навигационные системы
В настоящее время есть всего две полностью глобальные системы – GPS и ГЛОНАСС. Физические принципы работы их полностью идентичны, а системы различаются только высотой орбит эшелонов спутников и частотами используемых радиосигналов, кроме того обе системы оснащены дополнительным более точным кодированным радиосигналом используемым только для военных целей. Навигационная система – это комплекс высокотехнологичных, дорогих и очень сложных в обслуживании устройств, располагают которыми пока только США и Россия.
Автомобильный или туристический навигатор уже давно стал привычным делом для многих водителей и любителей путешествовать. О том, какие преимущества получает человек, у которого на переднем стекле установлен навигатор, говорить не нужно - это умное устройство само подберет оптимальный маршрут, подскажет когда начинать перестраиваться и сколько осталось до ближайшего перекрестка. Благодаря такой функции, как «Дорожные пробки», вы всегда будете знать, по каким маршрутам в данный момент лучше не ехать.
Говорить можно еще много обо всех этих умных опциях, однако мало кто задумывается над тем, какой труд прошлось проделать конструкторским бюро, полчищам инженеров и ученых, чтобы вы могли спокойно ездить даже по незнакомым вам маршрутам и городам.
ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система
На сегодняшний день есть две глобальных навигационных системы - ГЛОНАСС и GPS. Еще можно вспомнить китайскую региональную навигационную систему Бэйдоу, которая покрывает территорию Китая, Монголии, Индии, Кореи и часть Юго-Восточной Азии, также она немного затрагивает Русский Дальний Восток, Японию, Пакистан и Казахстан.
Готовится к запуску еще ряд региональных программ, например более продвинутая китайская «Компасс» или европейская «Галилео».
Уже давно ведется спор о том, какая из этих систем более точная и надежная. . В принципе, все эти системы геопозиционирования работают по одной схеме, благодаря эффекту допплеровского смещения, а качество приема и точность показаний зависят от количества спутников на орбите.
Мы можем сказать только одно - американская GPS покрывает весь Земной Шар, потому что на орбите на 2013 год был 31 навигационный спутник.
ГЛОНАСС стремится к такому показателю и планируется, что между 2015-2017 годами догонит его и по точности и по площади покрытия. На данный же момент численность спутников составляет 24 штуки, при этом их орбиты ориентированы таким образом, чтобы сигнал лучше всего принимался на территории России.
Планируется также, что ГЛОНАСС и Бэйдоу объединят свои усилия, то есть площадь покрытия и точность увеличатся в разы.
История ГЛОНАСС
Началом создания проекта глобальных систем геопозиционирования можно считать 1957 год, когда был запущен первый советский Спутник. Правда, открытие принадлежит американцам, поскольку они следили за сигналами со Спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Допплера можно определить, приближается ли к вам спутник или отдаляется.
Обычно данный эффект описывают так: достаточно просто определить по звуку свистка поезда, в каком направлении он движется - к вам или от вас.
Эффект Допплера в свое время помог известному астроному Эдвину Хабблу установить, что наша Вселенная состоит из сотен миллиардов галактик, которые разлетаются в разные стороны и Вселенная расширяется.
Понятно, что размышлять о судьбах Вселенной, Большом Взрыве и братьях по разуму очень занимательно, но открытием воспользовались военные желающие создать систему, которая помогла бы определить точное местонахождения любого объекта на поверхности Земли. И американцы и Советы принялись вести исследования в данном направлении. Программа США начала реализоваться в 60-х, в то же время, что и в СССР.
Первый спутник будущей системы ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а к 1991 году это уже была вполне работоспособная система, насчитывающая 12 спутников. Но с падением СССР проект отошел на второй план и на орбите в рабочем состоянии оставалось всего 6 космических аппаратов.
Ну и только с приходом Путина было решено возобновить программу, а в 2007 году уже можно было покупать навигаторы, которые работают как с GPS так и с ГЛОНАСС. В принципе Россия не сильно отстала от США, так как GPS-навигаторы для авто появились только в 2005 году. Хотя военные обеих стран пользовались системами геопозиционирования задолго до того, как они стали доступны широкой общественности.
Следующим шагом в глобальном продвижении ГЛОНАСС стало появление смартфонов, работающих с этой системой. Начиная с iPhone 4S Apple сделала доступной ГЛОНАСС для покупателей. Поддерживают ГЛОНАСС Samsung Galaxy, HTC One, Nokia (а потом и Microsoft Lumia), Sony Xperia, LG, Huawei, Xiaomi, Garmin eTrex и десятки других.
Что точнее GPS или ГЛОНАСС?
Если речь идет о сверх точном определении координат, то обе системы не являются идеальными. Результаты многочисленных испытаний в разных уголках Планеты, показывают, что ГЛОНАСС все же отстает:
- ГЛОНАСС - погрешность составляет 3-6 метра;
- GPS - 2-4 метра.
Однако, для автолюбителей такие ошибки не являются слишком уж важными, к тому же навигаторы, предлагаемые в России и Европе, работают с обеими системами, из-за чего их точность возрастает, поскольку одновременно в зоне видимости приемника находится от 12-ти до 15-ти космических аппаратов.
Точность же во многом зависит от количества каналов приема самого навигатора, которое в идеале должно составлять 60, при этом устройство может одновременно ловить сигнал от 12 спутников, плюс сигналы отражающиеся от различных поверхностей.
То есть говорить о том, какая система точнее, сегодня не так уж и важно. Но не стоит забывать о том, что данными системами пользуются военные, и поэтому и в GPS и в ГЛОНАСС предусмотрено 2 уровня сигналов:
- общедоступные, рассчитанные на гражданских пользователей;
- шифрованные - используются для нужд армии.
Еще один важный момент. Благодаря тому, что ГЛОНАСС спутники находятся на более высоких орбитах, более точное местоопределение получается в северных широтах. Данный факт был подтвержден в Швеции: «Из-за высокой орбиты наше оборудование лучше видит ГЛОНАСС, чем GPS».
Ну и кроме всего прочего, правительство Российской Федерации поддерживает свою систему геопозиционирования тем, что требует устанавливать модули ГЛОНАСС на пассажирские транспортные средства.
Планируется, что к 2017 году ГЛОНАСС догонит своего американского конкурента по точности. Количество спутников будет доведено до 32, что сделает данную систему полностью автономной в любой точке Земного шара. Добиться большей точности можно будет за счет запуска спутников на высокоэллиптические и геосинхронные орбиты.
К 2020 году погрешность в определении координат будет составлять всего лишь 80 сантиметров. Понятно, что такая точность водителям абсолютно не нужна, зато военные получат массу преимуществ перед своим воображаемым противником.
Хочется надеяться, что ГЛОНАСС, как GPS и все остальные подобные системы будут использоваться только в мирных целях.
Видео, о том как работают навигационные системы, в том числе и ГЛОНАСС.
Что GPS предназначены для одной и то же цели — определить время и место с максимальной точностью. И по сути — это одно и тоже, только созданы были в разных странах. Углубимся в историю…
Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. Суть ее заключалась в том, что, если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
В СССР тогда немного задержались и начали создавать систему ГЛОНАСС только спустя 8 лет — в 1982, 12 октября был выведен первый ГЛОНАСС спутник. Несмотря на такое опоздание, система окончательно вышла на рабочий режим в 1995 году, чуть позже американцев. Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 году до 6. Но сейчас, благодаря Владимиру Владимировичу Путину, орбитальная группировка спутников ГЛОНАСС практически полностью восстановлена.
Так, спутники есть, что происходит дальше? А дальше сигнал, который излучают спутники, принимается устройством, например, навигатором в Вашем автомобиле. Для того, чтобы приемник смог точно определить свое местоположение, ему необходимо «выловить» на небосводе не менее 4-х спутников. Почему 4? Здесь немного геометрии. Представим шар, это будет наша планета. Теперь точку на расстоянии от искомого шарика — это наш спутник. По спутниковому сигналу приемник определяет точное расстояние до спутника (только расстояние, не более того). Теперь представим, какую форму примет то множество точек на шарике, которые находятся на заданном расстоянии от точки? Верно, это будет круг! То есть, если будет всего один спутник, то мы увидим кучу вероятных месторасположений в виде пояса на планете. Это нам ни к чему.
Добавим второй спутник, то есть вторую точку под углом в 120 градусов (это угол между орбитами спутников ГЛОНАСС, три орбиты — 360, то есть весь круг, в GPS — 6 орбит, угол 60). Добавили? Отлично, снова получили расстояние до спутника, то есть еще один круг, при наложении на первый круг мы получим две общие точки, там, где круги пересеклись. Уже лучше, но все равно недостаточно.
Ставим третий спутник, получаем расстояние, еще круг и… Ура! Мы получили ту самую искомую точку на плоскости. Но, позвольте, а зачем нам четвертый спутник? А с четвертого мы получим точное время, по которому вычислим географическое положение трех первых спутников и, соответственно, узнаем точные координаты нашего приемника, то есть нас.
Надеюсь, не слишком мудреное описание. Если не совсем понятно, советую взять теннисный мячик и 3 резинки для волос. Положите их на мячик и поэкспериментируйте, попробуйте передвинуть одну из резинок, в общем, этот нехитрый прием поможет Вам своими руками создать систему навигации и понять, как она работает, пусть и на теннисном мячике.
Итак, с развитием систем, историей и принципом работы вроде разобрались. Теперь ответим на изначальный вопрос — что GPS, что ГЛОНАСС — это система спутников, которые предназначены для точного определения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR — американская группировка спутников, ГЛОНАСС — российская. мы рассмотрим различные устройства для работы с этими системами и прочие интересные моменты.
Основы принципов спутниковой навигации были заложены ещё в пятидесятые годы, после запуска первого советского искусственного спутника. Наблюдая сигнал, транслируемый спутником, группа американских учёных под руководством Ричарда Кершнера обнаружила, что частота принимаемого сигнала возрастает с приближением спутника и, напротив, уменьшается по мере его отдаления (эффект Доплера). Такое наблюдение натолкнуло ученых на мысль о том, что точное знание расположения наземного объекта делает возможным измерение месторасположения и скорости спутника. Соответственно, точное знание положения спутника позволяет определить координаты и скорость перемещения наземного объекта.
Тем не менее, впервые практическая реализация идей американских специалистов и ученых СССР, занятых в разработке теории позиционирования, состоялась только в 1982 году после запуска первого спутника, которому предстояло войти в глобальную систему позиционирования (GLONASS).
ГЛОНАСС
ГЛОНАСС - одна из двух существующих глобальных систем спутниковой навигации, начало разработок которой было положено еще в 1976 году, после чего, в связи с отсутствием достаточного финансирования, программа была свернута. Полноценная реализация и запуск проекта ГЛОНАСС состоялись в 2009 году, после развала Союза. На сегодня российский ГЛОНАСС и американская GPS являются основными действующими системами глобальной спутниковой навигации.
Основное назначение ГЛОНАСС - оперативная доставка навигационно-временной информации пользователям наземного, космического, воздушного и морского базирования. Обеспечение доступа к гражданским сигналам GLONASS предоставляется потребителям на бесплатной основе без любых ограничений в любой точке земного шара. Обеспечение обмена информацией осуществляется 24-мя спутниками, перемещающимися по 3-м орбитальным траекториям на высотах порядка 19100 км. Основанная на тех же физических принципах, что и американский аналог ГЛОНАСС - система NAVSTAR GPS, - ГЛОНАСС обеспечивает погрешность измерений в 3-6 метров. GPS работает несколько точнее, обеспечивая доступ сигнала с точностью - 2…4 м.
Развитие проекта ГЛОНАСС находится в юрисдикции агентства «Роскосмос».
GPS
GPS (Джи Пи Эс, англ. Global Positioning System) - американская спутниковая система навигации, транслирующая полезные данные о времени и расстояниях и позволяющая определить месторасположения объекта в пределах глобальной координатной системы WGS 84. Разработка системы, ее реализация и ввод в эксплуатацию в 1993 году проводились согласно инструкциям Министерства обороны США.
Сегодня система GPS-навигации, как и ГЛОНАСС, доступна для использования гражданскими потребителями. Для обеспечения работы информационного канала достаточно приобрести GPS-навигатор или аналогичный аппарат с GPS-приёмником.
ГЛОНАСС или GPS?
В отличие от системы слежения NAVSTAR GPS, спутники, обеспечивающие работу системы GLONASS, не демонстрирует резонанса (работают асинхронно) с вращением Земли. Благодаря этому удается достичь большей стабильности транслируемого сигнала. Еще одно преимущество системы ГЛОНАСС раскрывается благодаря правильно подобранным параметрам орбиты (высоте, углу наклона и периоду): GLONASS способен обеспечивать надежную трансляцию сигнала в южных и полярных широтах - там, где трансляция GPS-сигнала оказывается крайне затруднена или невозможна.
Несмотря на ряд серьезных практических преимуществ ГЛОНАСС, реальная ситуация на рынке услуг заставляет большинство пользователь все же пока отдавать предпочтение GPS. В первую очередь это связано:
- со значительно более доступной стоимостью коммуникаторов c поддержкой GPS;
- полнейшим отсутствием (в отличие от GPS-сервисов) программных продуктов, позволяющих устанавливать ГЛОНАСС на коммуникаторах и смартфонах;
- внушительному потенциалу программного обеспечения для GPS-систем навигации, позволяющему значительно расширить спектр применения последних.
GPS способна обеспечить доступ к полезным данным в любом месте земного шара (за исключением области Приполярья) практически в любых погодных условиях.
