ГЛОНАСС vs GPS: с какими трудностями столкнулась отечественная система спутниковой навигации

#Технологии
АС
Андрей Сорокин, редактор журнала

Недавно Дмитрий Рогозин сообщил о том, что США рассматривают в качестве расширения санкций возможность отключения GPS в России. Беспокоится по этому поводу, по словам главы Роскосмоса, не стоит, потому как в нашей стране действует собственная система спутниковой навигации — ГЛОНАСС. Тем не менее, обозреватели полагают, что поводы для тревоги есть, и связаны они все с тем же импортозамещением, которое переживает не лучшие времена, и особенно в космической отрасли. Попробуем разобраться в вопросе, рассмотрев основные глобальные системы спутниковой навигации, существующие в мире на сегодняшний день. (Спойлер: их всего две, и одна из них российского происхождения). 

GPS 

Спутниковая система навигации GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она позволяет определять положение и скорость объекта в режиме реального времени. GPS начала работать в конце 80-х годов, но до 2000 года ограничения на определение местоположения значительно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях. Система обслуживала в основном космический сегмент и авиацию. 

После отмены ограничений на точные определения координат погрешность снизилась со 100 метров до 20м (в последних же поколениях при идеальных условиях ошибка не превышает 2 метров). Это позволило использовать систему для широкого круга общих и специальных задач: помимо определения точного местоположения — это навигация, т.е. движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения и синхронизация времени.   

Система состоит из 32 спутников средней высоты (в работе участвуют 24, 8 — в резерве), главной управляющей станции ВВС в Колорадо-Спрингс, ряда вспомогательных станций, наземных антенн и станций мониторинга. Приемником синхронизирующего сигнала на Земле может быть и автомобильный навигатор, смартфон с Яндекс.Картами, картами Google и баллистическая ракета на подводной лодке. GPS работает во всемирной системе геоцентрических координат WGS 84.

ГЛОНАСС

Сегодня в мире активно используются и другие навигационные системы: европейская Galileo, китайская Beidou. Но единственным конкурентом GPS по охвату остается российская ГЛОНАСС. Глобальная навигационная спутниковая система была развернута в 1995 году. Она определяет координаты через измерение расстояний от точки до нескольких видимых спутников. Количество спутников влияет точность, но необходимо минимум четыре в пределах видимости на орбите. Система не получала широкого распространения до 2001 года, когда была принята целевая программа ее развития. К 2010 году ГЛОНАСС покрыла всю территорию России, а к 2011 году обеспечивает практически глобальное покрытие — 70% мирового пространства. 

На орбите, также как в системе GPS, работают 24 спутника. Если говорить о гражданском применении, то новейшие потребительские устройства используют обе системы как взаимодополняющие, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, что увеличивает скорость и точность их работы. 

Создание в крупных и развитых странах систем, дублирующих GPS (помимо упомянутых существуют еще QZSS в Японии и NaviC в Индии), подтверждает предсказания экспертов, утверждавших, что монополия на GPS может обернуться неочевидным образом. При этом, только ГЛОНАСС по зоне покрытия представляет собой реальную альтернативу американской навигационной системе. 

Чем они отличаются 

Поскольку системы дополняют друг друга, разницу в их работе рядовой пользователь не ощущает. Отличия понятны, скорее, специалистам. Так, спутники ГЛОНАСС движутся асинхронно Земле, в то время как спутники с системой GPS — синхронно. Различается высота их базирования, угол наклона, а также разные работы частоты и форматы сигналов. Специалисты считают, что благодаря асинхронности движения работа ГЛОНАСС стабильнее, чем у GPS. Как правило, особенно заметно это в приполюсных областях, где GPS практически бессильны. Считается также, что у ГЛОНАСС лучшее покрытие благодаря более удачной конфигурации орбитальной группировки.

GPS. Стандартная высота спутника — 20180 км. Спутники сгруппированы по 4–6 единиц и размещены в 6 плоскостях. Наклон орбиты — около 55º. Корректировка данных производится с помощью наземных станций. У американской сети она одна, а также 10 корректирующих пунктов.

ГЛОНАСС. Высота спутников — 19400 км, они расположены в 3 плоскостях по 8 единиц с наклоном 64,8º. Движение асинхронно вращению Земли способствует стабилизации орбиты, за счет чего оборудование хорошо управляется с поверхности. Коррекционных станций — 14, они размещены в России и Бразилии, есть даже база в Антарктиде.

Схематическое расположение спутников и орбит систем ГЛОНАСС и GPS. Источник: eraglonass.ru

Частоты сигналов у двух систем практически схожие поэтому есть смысл рассмотреть преимущества и недостатки двух систем в целом. 

Недостатки GPS:

  • синхронное вращение относительно орбиты Земли требует внесения поправок от корректирующих станций;
  • уровень сигнала падает в северных областях из-за угла наклона;
  • на качество сигнала влияют погодные условия и процессы в атмосфере (например, магнитные бури), а также наземные источники радиосигналов.  

Минусы ГЛОНАСС:

  • доступна не во всех точках мира;
  • спутниковый мониторинг дорогой из-за высокой цены на адаптированные к работе устройства;
  • из-за заморозки проекта развивалась медленнее американской космической сети и отставала;
  • спутникам чаще нужен ремонт, недостаточное количество единиц на орбите ведет к снижению точности позиционирования в некоторых районах.

Погрешность. У ГЛОНАСС она составляет 3-6 метров. Разработчики утверждают, что модернизация системы способна снизить этот показатель до 10 см.

У GPS более точное позиционирование. Изначально погрешность составляла 2–4 м, но с появлением корректирующих станций на территории других государств показатель улучшили до 1–2 м. При дальнейшей модернизации планируется определять координаты с точностью 0,5–0,6 м.

Возможное отключение

Логика подсказывает, что отключить от системы GPS отдельно взятую страну невозможно. На работу американской группировки спутников опираются не только системы, расположенные в России. С другой стороны, можно внести помехи в сигнал стандартной точности, который используется в гражданском сегменте. Можно перепрограммировать спутники так, чтобы они прекращали работу, пролетая над территорией РФ. Однако прежде всего от этого пострадают самолеты, например, те же Boeing, Airbus. Некоторые из них продолжают летать над Россией и могут лишиться точных данных. В конечном счете это может затронуть все самолеты в воздушном пространстве всего мира, потому как GPS, как указывалось, глобальная система. Она также взаимосвязана с другими сетями. Как утверждает специалист по космическим связям, военный инженер Антон Громов, национальная система навигации как раз представляет защиту современных технологий на случай, «если партнеры будут пытаться диктовать условия силой». 

Возможное отключение системы представляет проблему и для российского авиапарка. Эксперты отмечают, что 90% российских самолетов, в том числе Ту-154, полагаются на американскую систему. Переход на систему ГЛОНАСС уже начался, но для того, чтобы перепрограммировать все авиалайнеры, потребуется время. При этом сами летчики не видят опасности в отключении GPS, поскольку у авиаторов есть опыт использования других систем.

Как сообщил в беседе с РБК член-корреспондент Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского, Андрей Ионин, США имеют возможность если не отключить, то ограничить работу GPS. Он напоминает, что «они неоднократно демонстрировали, что у GPS есть возможность так называемого спуфинга. Когда спутники пролетают над какой-то определенной территорией (Ближним Востоком, Югославией), то они вносят в свои данные поправку, в результате местоположение пользователя «сдвигается» на сотни метров», — уточнил он.

Рядовой пользователь навигационной системы при отключении GPS вряд ли почувствует разницу, потому что приемники в смартфонах или автомобилях вычисляют координаты сразу по четырем навигационным системам (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou). ГЛОНАСС по умолчанию стоит на всех мобильных устройствах, которые используются в России.

Ложка дегтя

Эксперты полагают, что проблемы могут возникнуть с перспективами развития российской системы, а также оценками ее нынешнего состояния.  Дело в том, что в 2019 году были сокращены на 12,9 млрд рублей бюджетные расходы в рамках целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы “Глонасс” на 2012–2020 годы». 6,9 млрд рублей перешло «Роскосмосу», еще 6 млрд рублей — Министерству обороны на госпрограмму «Космическая деятельность России».

Еще ранее, после событий 2014 года, комплектующие для спутников «Глонасс» (а это и более современные модели — «Глонасс-М» и Глонасс-К») попали под санкции Евросоюза и США, как детали для систем двойного назначения, так как «Глонасс» может использоваться в военных целях. В спутниках «Глонасс-М» было 75-80% западных комплектующих, в «Глонасс-К» — более 90%. В результате последний за 12 лет существования проекта запустили всего три раза.  

В рамках программы импортозамещения был разработан спутник следующего поколения, «Глонасс-К2», и на 2022 год было назначено два запуска, однако сейчас большинство космических программ «поставлено на паузу».

В интервью Новой газете в марте 2022 года Иван Моисеев, научный руководитель Института космической политики, отмечал, что приостановка работы программы «и есть наглядное воплощение проблемы комплектующих». Навигационные спутники требуют наиболее передовых технологий. Важнейшая их функция военная. И каждая страна стремится иметь свою независимую систему.

Впрочем, он отмечает, что нынешние санкции «не такие ужасные», поскольку именно предыдущие, примененные после 2014 года, незаметно, но прекратили участие России на международном космическом рынке. Это, замечает специалист, была половина космической деятельности РФ по объему и стоимости. 

Между тем, по состоянию на 2020 год все 24 орбитальные позиции в трех плоскостях системы ГЛОНАСС были заполнены аппаратами, работающими по целевому назначению.

Заглавное фото: topcor.ru

Читайте в нашем журнале:

Астероидный сок, орбитальная катапульта и квантовая связь: патенты, определяющие будущее покорения космоса

Родом из космоса: история первого беспроводного пылесоса

Суверенный процессор. Что надо знать о российской индустрии микрочипов

Андрей Сорокин, редактор журнала
Онлайн Патент
#Технологии
Спасибо! Мы перезвоним вам в ближайшее время!