ГЛОНАСС и GPS – сходства и различия спутниковых систем навигации
По мере развития информационных технологий глобальная навигационная спутниковая система приобрела важное значение и стала влиять на различные отрасли жизни и экономики.
Системы навигации имеют трёхуровневую структуру: космический сегмент (спутники), сегмент управления (наземные станции) и пользовательский сегмент (приёмники). Приёмник, смартфон или специальное устройство, вычисляет своё местоположение путём триангуляции сигналов от нескольких спутников. Для определения местоположения требуется как минимум четыре спутника, поэтому по мере интеграции в систему новых спутников, точность систем постоянно повышается.
Спутниковая система навигации имеет широкую сферу применения, среди которых:
картографирование: создание точных карт и географических данных;
мониторинг: поиск местонахождения транспортных средств и имущества;
экстренные службы: поиск пропавших людей;
навигация: предоставление инструкций в автомобиле или на телефоне. Система мониторинга транспорта позволяет сократить расходы на бензин и оптимизировать маршруты автомобилей;
геодезия: точное измерение расстояний и высот;
геоматика и землеустройство: точное определение местоположения и ориентации точек на поверхности Земли для создания карт, определения границ земельных участков и выполнения различных других задач, связанных с управлением и освоением земель;
сельское хозяйство: управление тракторами и другой сельскохозяйственной техникой, а также для повышения урожайности за счёт точного картирования и мониторинга полей;
мониторинг окружающей среды: прогнозирование погоды.
Распространенными спутниковыми системами навигации являются российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), и американский аналог – Глобальная система позиционирования (Global Positioning System, GPS).
ГЛОНАСС была полностью введена в эксплуатацию в 1995 году. Система отражает стремление России обеспечить глобальную возможность позиционирования, независимую от систем других государств.
GPS была разработана в Соединённых Штатах и начала работу в 1978 году. Она находится в ведении Космических сил США. Как и ГЛОНАСС, изначально GPS разрабатывалась для военных целей, но со временем стала использоваться в гражданских.
ГЛОНАСС работает на частоте 1,602 ГГц, а GPS — на частоте 1,57542 ГГц (сигнал L1).
Сеть GPS состоит из 31 спутника. В орбитальную группировку ГЛОНАСС входит 24 космических аппарата, столько требуется для покрытия всей земной поверхности. Это оптимальное количество для определения четырех параметров, важных для точного геопозиционирования: координаты X и Y, высоту Z и разницу по времени между часами на спутниках и часами устройства пользователя.
Орбитальные характеристики двух систем отличаются. В частности, спутники GPS вращаются в шести плоскостях по четыре спутника в каждой, космические аппараты ГЛОНАСС вращаются в трёх орбитальных плоскостях по восемь спутников в каждой. Такая схема обеспечивает полное покрытие Земли и резервирование на случай выхода из строя некоторых спутников.
Космические аппараты ГЛОНАСС
Космические аппараты GPS
Точность определения местоположения может зависеть от нескольких факторов, в том числе от атмосферных условий, блокировки сигнала и многолучевых эффектов. Как правило, ГЛОНАСС обеспечивает горизонтальную точность в пределах 5–10 метров и вертикальную точность в пределах 15 метров. Стоит отметить, что ГЛОНАСС разработан для обеспечения более высокой точности на высоких широтах, что особенно применимо для России и других стран, расположенных в северных регионах. Этот аспект делает его более подходящим для пользователей в этих регионах, где GPS может испытывать трудности с передачей стабильных сигналов.
На точность обеих систем влияют такие факторы, как геометрия спутников, атмосферные условия и препятствия, например, высокие здания или деревья.
ГЛОНАСС и GPS работают независимо от географического местоположения, то есть могут предоставлять надёжные навигационные данные по всему миру. При этом, у каждой системы есть свои сильные и слабые стороны, и выбор может зависеть от географического положения, вариантов использования и инфраструктуры устройств, доступных потребителям. Для пользователей, находящихся в более высоких широтах или нуждающихся в надёжном доступе в менее населённых регионах, ГЛОНАСС предоставляет явные преимущества. Пока GPS остаётся более распространённой в мире системой, и предлагает небольшое преимущество в доступности.
Точность. ГЛОНАСС и GPS обладают сопоставимым уровнем точности для среднестатистического пользователя. Стоит отметить, что точность обеих систем продолжает повышаться.
Удобство. GPS более широко интегрирован в потребительские устройства из-за своей более долгой истории и повсеместного распространения. Большинство смартфонов и навигационных устройств в первую очередь оснащены GPS. По мере того, как ГЛОНАСС всё чаще встраивается в устройства, особенно в те, которые производятся в России или российскими компаниями, удобство использования улучшается.
Интеграция и функциональная совместимость. Совместимость глобальных навигационных систем становится все более важной по мере их развития. Устройства, которые могут использовать несколько спутниковых систем навигации включая GPS, ГЛОНАСС, Galileo (европейская спутниковая система навигации) и BeiDou (китайский аналог), могут обеспечить пользователям повышенную точность и надёжность. Современные усовершенствованные приёмники лучше обрабатывают сигналы от нескольких систем, что позволяет избежать потенциальных недостатков или слабых мест какой-либо одной системы.
Выбор между ГЛОНАСС и GPS может зависеть от конкретного применения. Например, если в сельском хозяйстве используются методы точного земледелия для оптимизации урожайности, логичнее использовать ГЛОНАСС, поскольку он обеспечивает более высокую точность. При проведении геодезических работ выбор между ГЛОНАСС и GPS может зависеть от конкретных требований проекта. К примеру, если требуется провести геодезические работы в районе с большим количеством высоких зданий или других препятствий, стоит использовать GPS, так как он лучше преодолевает эти препятствия. Однако если задача провести геодезические работы на открытой местности с ясным небом, стоит использовать ГЛОНАСС, так как он обеспечивает более высокую точность.
Рисками для работы обеих систем является наличие в районе высотных зданий, которые могут блокировать сигналы спутников, из-за чего устройствам сложно точно определить своё местоположение. Это может привести к ошибкам в навигации. Ещё одним препятствием для корректной работы ГЛОНАСС и GPS являются неблагоприятные погодные условия. Сильный дождь, снег и туман могут создавать помехи для спутниковых сигналов, из-за чего устройствам может быть сложно точно определить своё местоположение. Помехи от других электронных устройств также могут влиять на точность данных GPS и ГЛОНАСС. К ним могут относиться радиосигналы, вышки сотовой связи и другие беспроводные устройства.
Несмотря на эти ограничения и проблемы, обе системы спутниковой навигации зарекомендовали себя как надёжные инструменты для широкого спектра задач.
GPS использует кодовое разделение каналов, а ГЛОНАСС — частотное. Это означает, что спутники GPS используют кодирование CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) и передают сигнал на частотах 1575,42 МГц (сигнал L1 — гражданский) и 1227,6 МГц (сигнал L2 — военный). Каждый спутник передаёт сигнал на одной и той же частоте с уникальным кодом в качестве идентификатора для каждого спутника. Спутники ГЛОНАСС, напротив, используют кодирование FDMA (Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с разделением каналов по частоте) и передают сигнал в диапазонах 1602 МГц (сигнал L1 — гражданский) и 1246 МГц (сигнал L2 — военный). Каждый спутник передаёт один и тот же код, но на разных частотах в зависимости от диапазона. Здесь L2 — это зашифрованный сигнал, к которому могут получить доступ только уполномоченные лица (военные) или организации.
ГЛОНАСС впервые использовал метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) для связи со спутниками, используя 25 каналов для 24 спутников. Это популярный протокол, используемый в спутниковой связи, но у него есть недостаток: перекрёстные помехи, вызывающие сбои и нарушения работы.
С 2008 года ГЛОНАСС использует CDMA (метод множественного доступа с кодовым разделением каналов) для обеспечения совместимости со спутниками GPS. Поскольку приёмники ГЛОНАСС совместимы как с FDMA, так и с CDMA, они крупнее и дороже.
Хотя эти две системы могут показаться конкурирующими, они часто дополняют друг друга. Устройства с чипами GPS и ГЛОНАСС обеспечивают комбинированный доступ примерно к 55 спутникам. Это приводит к повышению точности определения местоположения, надежности и скорости. При совместном использовании обоих систем можно снизить погрешность, доведя её до 1–1,5 метра. Эту комбинацию также называют двухъядерным устройством определения местоположения. Она помогает пользователям в ситуациях, когда спутники, основанные на одной системе, могут быть недоступны или заблокированы из-за внешних препятствий, включая здания, инфраструктуру или облака.
Практическую пользу из совмещения уже извлекли не только российские, но и европейские транспортные компании.
Технологический прогресс привёл к повышению точности и охвата, а современные спутники обладают расширенными возможностями по сравнению со своими предшественниками.
С непрерывным развитием технологий спутниковой навигации границы между системами стираются. Поскольку пользователи все больше полагаются на GNSS для множества приложений, совместимость станет решающей. В итоге, ни одна из систем не может считаться универсально превосходной; скорее, их сосуществование позволяет пользователям по всему миру получать доступ к усовершенствованным навигационным решениям, отвечающим различным объединении возможностей ГЛОНАСС и GPS для обеспечения повышенной точности.
В 2025 году многие устройства поддерживают как ГЛОНАСС, так и GPS, поэтому пользователи могут воспользоваться преимуществами каждой из систем в совокупности. Такая двойная функциональность обеспечивает более высокую надёжность, за счет возможности приёмников переключаться между системами при слабом сигнале.
