ГЛОНАСС, глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), созданная в Российской Федерации для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа потребителей наземного, морского, воздушного и космического базирования данными для всепогодного высокоточного определения пространственных координат потребителя, точного времени, а также составляющих вектора скорости различных объектов.

Система ГЛОНАСС является ключевым стратегическим элементом национальных средств координатно-временно́го и навигационного обеспечения. Она относится к особо важной государственной инфраструктуре, призвана обеспечивать национальную безопасность и устойчивое социально-экономическое развитие страны. Поддержание и развитие функций системы ГЛОНАСС, укрепление её конкурентоспособности является одной из важнейших государственных задач в обеспечении национальной навигационной безопасности.

Общие сведения

Эксплуатация системы ГЛОНАСС, с предоставлением потребителям радионавигационного покрытия орбитальной группировкой в глобальном масштабе, начата с 2011 г.

Система ГЛОНАСС относится к космической технике двойного использования, применяемой в научных, социально-экономических целях, в интересах обороны и безопасности Российской Федерации, в отношении которой определено, что наряду с Министерством обороны Российской Федерации генеральным заказчиком системы ГЛОНАСС является Российское космическое агентство (ныне Государственная корпорация «Роскосмос»).

Кроме упомянутых организаций, развитием проекта заняты следующие федеральные службы, федеральные агентства и министерства Российской Федерации: Министерство внутренних дел; Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору; Министерство транспорта; Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии; Министерство промышленности и торговли; Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии; Федеральная служба по надзору в сфере транспорта; Федеральное агентство воздушного транспорта; Федеральное агентство морского и речного транспорта; Министерство науки и высшего образования; Министерство иностранных дел; Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций; Министерство по чрезвычайным ситуациям; Министерство здравоохранения; Федеральная служба безопасности; Федеральное агентство железнодорожного транспорта; Федеральное дорожное агентство; Федеральная служба по надзору в сфере транспорта

Головная организация по развитию и использованию системы ГЛОНАСС – «Российские космические системы».

Головная организация по космическому комплексу ГЛОНАСС (включает спутники и наземный комплекс управления) – «"Информационные спутниковые системы" имени академика М. Ф. Решетнёва».

Оператор государственной автоматизированной информационной системы ЭРА-ГЛОНАСС является АО «ГЛОНАСС».

Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности – некоммерческое партнёрство «ГЛОНАСС».

Сферы применения

Являясь системой двойного назначения, ГЛОНАСС обеспечивает решение специальных задач в интересах Минобороны России, других силовых ведомств, а также работает в интересах гражданских потребителей, предоставляя отдельно услуги как военного, так и гражданского назначения, используя для этого разные типы навигационных сигналов.

Военная

Система ГЛОНАСС проектировалась как военная космическая система, решающая следующие задачи: высокоточное координатно-временное обеспечение самонаводящегося оружия; военно-морская навигация; автоматическое управление летательными аппаратами; ведение разведки; привязка местоположения боевых порядков и др.

Навигационные системы и аппаратура ГЛОНАСС, внедряемые в войсках, являются по большей части универсальными навигационными комплексами. Эти комплексы также способны работать с сигналами других ГНСС, например GPS. Данный подход обеспечивает независимость и безопасность топогеодезического и навигационного обеспечения Вооружённых Сил Российской Федерации.

Гражданская

Доступ к гражданским навигационным сигналам системы ГЛОНАСС предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений, а Государственная корпорация «Роскосмос» определена координатором работ по поддержанию, развитию и использованию системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей.

Массовые гражданские потребители сигналов ГНСС:

• спутниковые навигаторы;

• автомобильный, воздушный, морской транспорт, ряд категорий которого должен обеспечиваться в обязательном порядке аппаратурой спутниковой навигации, с установленными SIM-картами, содержащими профиль сети подвижной радиотелефонной связи, обеспечивающей функционирование Государственной автоматизированной информационной системы ЭРА-ГЛОНАСС, обеспечивающей информирование об авариях;

• другие системы спасения, например Международная система поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ;

• смартфоны пользователей, с интегрированным решением, включающим в том числе приём сигналов ГНСС;

• трекеры местоположения, для отслеживания расположения и скорости перемещения объектов позиционирования.

Большинство перечисленных категорий оборудования содержит интегрированные решения, приём одновременно нескольких сигналов различных ГНСС для повышения точности определения местоположения, включая сигнал системы ГЛОНАСС.

В настоящее время система ГЛОНАСС совместно с функциональными дополнениями предоставляет 4 вида навигационных услуг (рис. 1):

• базовую услугу, позволяющую осуществлять навигационно-временное определение (НВО) для всех категорий потребителей в абсолютном режиме; предоставляется навигационными космическими аппаратами (КА) на средних орбитах;

• услугу обеспечения безопасности жизнедеятельности с повышенным уровнем надёжности и точности навигационного обеспечения; предоставляется КА на средних орбитах и функциональными дополнениями космического и наземного базирования (локальными, региональными и широкозонными) в дифференциальном режиме;

• услугу относительной навигации с высокой точностью, при использовании сетей наземных станций функциональных дополнений на дальностях до 50 км;

• услугу высокой точности; предоставляется по наземным каналам связи и каналам сети Интернет (в перспективе – предоставление услуги также через космические каналы доставки информации КА на геостационарных и высоких орбитах).

Рис. 1. Услуги системы ГЛОНАСС.Рис. 1. Услуги системы ГЛОНАСС.

Принцип работы системы

В основе принятого в системе ГЛОНАСС способа радионавигации – измерение в приёмнике навигационной аппаратуры потребителя (НАП) параметров радиосигнала от передатчика с известным положением в пространстве, в качестве которого используется специальный искусственный спутник Земли или навигационный космический аппарат (НКА). Основной измеряемый в интересах навигации параметр радиосигнала – время распространения радиосигнала от передатчика до приёмника или задержка сигнала НКА относительно шкалы времени (ШВ) НАП. С учётом известной скорости распространения радиосигнала эта задержка сигнала НКА пересчитывается в дальность между этим НКА и приёмником.

В системе ГЛОНАСС для определения координат используется т. н. псевдодальномерный метод, позволяющий по измерениям параметров сигналов от нескольких (обычно более четырёх) НКА определить пространственные координаты потребителя и поправку ШВ его НАП относительно ШВ ГЛОНАСС или национальной шкалы времени UTC(SU). Для определения псевдодоплеровским методом составляющих вектора скорости в НАП также измеряются доплеровские смещения частоты принятых от НКА сигналов.

Точность системы

К сентябрю 2019 г., по данным системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ), в среднем ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p = 0,95) по долготе и широте составляли 4,4–7,8 м при использовании в среднем 7–8 КА (в зависимости от точки приёма). Ошибки КА GPS составляли 2–5 м при использовании в среднем 9–11 КА (в зависимости от точки приёма). Одновременное использование обеих систем позволяет проводить определение координат с точностью до 1,5–3 м.

В настоящее время система ГЛОНАСС обеспечивает определение местонахождения объекта с точностью до 2,8–5 м. С применением системы сигналов СДКМ возможно получить точность определения плановых координат не более 1,0 м (по уровню вероятности 0,95) и высоты не более 1,5 м (по уровню вероятности 0,95) в реальном времени, благодаря использованию геостационарных НКА «Луч-5Б» и «Луч-5В». Также данным улучшениям должно способствовать появление аппаратов нового поколения «Глонасс-К2».

Состав системы

Современная структура системы ГЛОНАСС в расширенной конфигурации включает в себя следующие составные части:

• космический комплекс системы ГЛОНАСС, состоящий из орбитальной группировки НКА, размещённых в нескольких орбитальных плоскостях;

• наземный комплекс управления;

• функциональные дополнения (ФД), включая широкозонную систему ФД ГНСС – систему дифференциальной коррекции и мониторинга, а также региональные и локальные системы мониторинга и дифференциальной коррекции;

• систему высокоточной апостериорной эфемеридно-временной информации (ЭВИ);

• средства фундаментального обеспечения ГЛОНАСС – системы оперативного определения параметров вращения и ориентации Земли и опорной системы координат, системы формирования национальной шкалы времени UTC(SU), геодезической основы РФ;

• навигационную аппаратуру потребителя.

Современная структура системы ГЛОНАСС показана на рис. 2, функциональные связи подсистем ГЛОНАСС представлены на рис. 3.

Рис. 2. Современная структура системы ГЛОНАСС.Рис. 2. Современная структура системы ГЛОНАСС.

Рис. 3. Функциональные связи подсистем ГЛОНАСС.Рис. 3. Функциональные связи подсистем ГЛОНАСС.

Подсистема НКА ГЛОНАСС

НКА для потребителей постоянно излучают сигналы ГЛОНАСС, несущие навигационные сообщения, позволяющие НАП производить беззапросным методом измерения радионавигационных параметров, необходимых для получения оценок псевдодальностей (псевдоскоростей) и дальнейшего решения навигационной задачи.

Совокупность НКА, находящихся в данный момент времени в составе ГНСС, включая НКА, используемые по целевому назначению, а также НКА, временно не используемые по целевому назначению, образует орбитальную группировку (ОГ) ГЛОНАСС, которая состоит из спутников на средневысотных околокруговых орбитах с номинальными значениями высоты – 19 100 км, наклонения – 64,8° и периода обращения – 11 ч 15 мин 44 с.

Минимальное число НКА, необходимое для обеспечения полного функционирования системы – 18 аппаратов. Сведения об актуальном составе и состоянии ОГ системы ГЛОНАСС находятся на официальном сайте Прикладного потребительского центра ГЛОНАСС.

По состоянию на июнь 2024 г. космический сегмент системы ГЛОНАСС насчитывал 26 НКА. Из них 24 НКА использовались по целевому назначению, 2 находились на этапе ввода в эксплуатацию. На НКА «Глонасс-М» приходился 21 аппарат, на НКА «Глонасс-К» 4 аппарата, на НКА «Глонасс-К2» 1 аппарат.

Зона обслуживания ОГ ГЛОНАСС штатного состава обеспечивает непрерывное наблюдение минимально необходимого количества НКА (минимум четырёх) глобально на поверхности Земли, в воздушном и околоземном космическом пространстве до высот 2000 км.

Навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС

В ходе модернизации системы ГЛОНАСС в её состав последовательно включались НКА серий «Глонасс» (в 2009 г. выведены из эксплуатации), «Глонасс-М», «Глонасс-К»,«Глонасс-К2». Это дало возможность последовательно улучшать технические характеристики системы и существенно увеличить точность измерений (табл. 1).

Начиная с серии «Глонасс-К» НКА системы ГЛОНАСС являются многофункциональными. На их борту устанавливается специальный радиотехнический комплекс для работы в международной системе поиска и спасания терпящих бедствие КОСПАС-СAРСАТ.

Навигационные сигналы системы ГЛОНАСС

Основной функцией НКА ГЛОНАСС, как и в других ГНСС, является формирование и передача навигационных сигналов, содержащих в том числе информацию о точных координатах и ШВ каждого НКА (навигационное сообщение).

НКА ГЛОНАСС могут излучать навигационные радиосигналы открытого и санкционированного доступа только с частотным разделением либо навигационные радиосигналы открытого доступа с частотным и кодовым разделением и радиосигналы санкционированного доступа с частотным разделением. Правильный приём и обработка специальным образом закодированных сигналов санкционированного доступа системы ГЛОНАСС возможны только с помощью специальной НАП. При этом потребители могут получить навигационную услугу высокой точности.

Открытые сигналы (гражданские навигационные сигналы стандартной точности) излучаются спутниками в частотных диапазонах L1, L2, L3, имеют известное описание (т. н. интерфейсный контрольный документ) и позволяют потребителю без ограничений и на безвозмездной основе реализовать навигационную услугу стандартной точности или открытого сервиса в соответствии с принятым стандартом эксплуатационных характеристик (СТЭХОС). Режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационных сигналов стандартной точности, использовавшийся в ГНСС GPS, в системе ГЛОНАСС не применяется.

Подсистема наземного комплекса управления

Подсистема наземного комплекса управления (НКУ) системы ГЛОНАСС (или подсистема контроля и управления) является частью космического комплекса системы ГЛОНАСС и включает в себя комплекс наземных технических средств, обеспечивающих контроль и управление подсистемой НКА ГЛОНАСС.

НКУ орбитальной группировкой НКА выполняет четыре группы задач: эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА; мониторинг радионавигационного поля; радиотелеметрический мониторинг НКА; командное и программное радиоуправление функционированием НКА.

В состав НКУ системы ГЛОНАСС входят следующие взаимосвязанные стационарные элементы: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС-М); командно-измерительные станции (КИС); закладочно-измерительные станции (ЗИС); беззапросные измерительные станции (БИС) / беззапросные измерительные вычислительные системы (БИВС); квантово-оптические станции (КОС); аппаратура контроля навигационного поля (АКНП); наземная оптико-лазерная система (НОЛС).

Навигационная аппаратура потребителей

НАП ГНСС – аппаратура, предназначенная для измерения параметров навигационных сигналов ГНСС и выделения навигационных сообщений с целью определения пространственных координат, составляющих вектора скорости движения, поправки показаний часов потребителя ГНСС и скорости изменения этой поправки.

В ряде официальных документов и источников информации для НАП иногда используются равнозначные по смыслу термины: аппаратура спутниковой навигации (АСН) или аппаратура потребителей (АП).

НАП объединяет функции радиоприёмника и вычислителя. Пространственное положение потребителя обычно определяется в НАП в два этапа: сначала определяются первичные навигационные параметры (псевдодальность и её производная) и текущие координаты для нескольких НКА (не менее четырёх), а затем рассчитываются координаты потребителя в пространстве (географическая широта, долгота, высота потребителя и др.).

Технология навигации по сигналам ГНСС реализована в смартфонах, планшетах, фотокамерах, «умных» часах, различных гаджетах спортивного назначения. Выпускается множество различных моделей функционально законченных типов НАП, а также модулей и специализированных микросхем с функциями обработки сигналов ГНСС. Эти модели НАП различаются по конструкции, назначению, точности, стоимости и другим параметрам.

Средства функциональных дополнений системы ГЛОНАСС

Функциональное дополнение ГНСС определено как комплекс технических и программных средств, предназначенный для обеспечения потребителя ГНСС дополнительной информацией, позволяющей повысить точность и достоверность определения его пространственных координат, составляющих вектора скорости движения и поправки показаний часов и гарантирующей целостность ГНСС. Выходная информация функциональных дополнений доводится до потребителей по специальным каналам связи. Она обычно содержит корректирующую информацию (для уменьшения погрешностей определения местоположения потребителей) и информацию о целостности системы ГЛОНАСС (для обеспечения достоверности результатов определения местоположения).

Модернизация и перспективы развития системы ГЛОНАСС

Государственная корпорация «Роскосмос» ставит задачу улучшения к 2030 г. ряда ключевых параметров системы ГЛОНАСС:

1. Уменьшение погрешности навигационных определений потребителей: базовой услуги – c 9,5 до 2,76 м; услуги высокой точности – до величины менее 0,1 м.

2. Повышение помехоустойчивости до уровня не менее на 90 дБ.

3. Повышение доступности навигационных услуг на территории РФ в сложных условиях с 78 до 92 %.

Для базовой услуги предполагается обеспечить погрешность позиционирования на открытой местности от 2 до 1 м. При этом на территории РФ доступность навигации на открытой местности должна составлять 100 %, а в условиях застройки и сложного рельефа – от 80 до 99 %; для услуги высокоточной абсолютной навигации – доступность услуг на территории РФ при высоком затенении – 100 %.

В качестве долгосрочной перспективы развития системы ГЛОНАСС предполагается рассматривать период до 2050 г., когда орбитальная группировка системы будет сформирована на основе инновационного типа НКА. В состав перспективной орбитальной группировки ГЛОНАСС после 2030 г. могут войти модернизированные спутники ВКК-М на высокоэллиптических орбитах, малогабаритные аппараты МНКА-М, геостационарные ГСО-М и среднеорбитальные «Глонасс-КМ».

В 2022 г. в целях повышения точности и доступности навигации начаты работы по созданию дополнительной орбитальной группировки из 6 высокоэллиптических спутников в 3 плоскостях, образующих высокоорбитальный космический комплекс (ВКК) системы ГЛОНАСС. Параметры орбит спутников ВКК приведены в табл. 2.

ОГ ВКК образует две трассы подспутниковых точек ВКК (рис. 4).

Рис. 4. Высокоорбитальный космический комплекс ГЛОНАСС. Рис. 4. Высокоорбитальный космический комплекс ГЛОНАСС. Создание данной группировки позволит на 25 % повысить точность навигации в Восточном полушарии. Кроме того, на всей территории России и в Арктике возрастёт доступность навигационных услуг системы ГЛОНАСС в сложных условиях, при которых потребитель имеет возможность принимать сигналы спутников, находящихся выше 25° над уровнем горизонта.

Спутники новой группировки будут построены на основе платформы «Глонасс-К», которая успешно прошла лётную квалификацию и показала возможность достижения точности прогнозирования 0,3 м. Моделирование на этапе предварительного проектирования группировки ВКК показало, что спутник, имеющий конструкцию типа «Глонасс-К», может обеспечить на данных орбитах ЭППД менее 0,4 м. Подобная точность позволит потребителям осуществлять навигационные определения в абсолютном режиме с погрешностью менее 2 м.

Масса новых спутников ВКК будет менее 1000 кг, что позволит запускать их на заданные орбиты с обоих российских космодромов (Плесецк и Восточный) посредством высоконадёжной ракеты «Союз-2». Первый запуск спутника на высокую наклонную геосинхронную орбиту планируется на 2030 г.