В реальных условиях спутниковой навигации приём сигнала редко бывает идеальным. Сегодня у пользователей есть доступ к нескольким спутниковым системам, среди которых ключевые — российская ГЛОНАСС и американская GPS.
Долгое время GPS воспринималась как синоним спутниковой навигации, однако сегодня корректнее говорить о GNSS - глобальных навигационных спутниковых системах, объединяющих решения разных стран. В этой статье разберём технические особенности ГЛОНАСС и GPS, их роль в современном высокоточном позиционировании.
Навигационная спутниковая система GPS и как она работает
GPS (Global Positioning System), также известная как NAVSTAR, разработана Министерством обороны США. Первый спутник был запущен в 1978 году. До 2000 года гражданский сигнал намеренно ухудшался (Selective Availability), что давало погрешность до 100 метров.
Принцип работы основан на измерении расстояния до спутников. Спутники передают сигналы в L-диапазоне (около 1-2 ГГц) с точными временными метками. Приёмник определяет задержку сигнала, использует эфемериды спутников и рассчитывает координаты.
Для расчёта координат требуется сигнал минимум от четырёх спутников - это связано с необходимостью одновременно определить пространственное положение и скорректировать внутренние часы приёмника.
Орбитальная группировка GPS включает около 30 спутников, размещённых в шести орбитальных плоскостях на высоте ~20 200 км с наклоном 55°. Это обеспечивает стабильное глобальное покрытие.
Плюсы и минусы GPS
Преимущества:
1. Глобальное покрытие и развитая инфраструктура:
Стабильная работа по всему миру за счёт развитой сети наземных станций коррекции и широкой интеграции в навигационные системы и оборудование.
2. Стабильность сигнала:
Современные спутники передают несколько гражданских сигналов (L1, L2, L5), что повышает устойчивость приёма и качество решения.
3. Точность:
- Автономный режим: 2–5 м.
- RTK и дифференциальные поправки: 1-2 см
При этом источник поправок может быть как сетевым (RTK ПДБС), так и локальным - при использовании собственной базовой станции. В условиях стабильного покрытия сети оба подхода обеспечивают сопоставимую точность, однако при ограниченном доступе к связи или нестабильных условиях приёма локальная база позволяет сохранить управляемость процесса измерений и избежать простоев.
Недостатки:
1. Государственное управление системой:
GPS относится к системам двойного назначения, поэтому теоретически возможны ограничения сигнала или точности в отдельных регионах.
2. Ограничения в высоких широтах
Из-за наклона орбит (55°) спутники располагаются ниже над горизонтом в северных регионах, что ухудшает геометрию и может снижать точность.
3. Снижение устойчивости в сложных условиях
В условиях ограниченного обзора неба количество доступных спутников сокращается, что приводит к потере фиксированного решения, увеличению времени измерений и необходимости повторных проходов.
Навигационная спутниковая система ГЛОНАСС и как она работает
ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) начала разрабатываться в СССР. Первый спутник «Космос-1413» был выведен на орбиту в 1982 году . Российская система, как и американская, предназначена для определения координат любых объектов: наземных, морских, воздушных и космических.
Принцип работы аналогичен - измерение времени прохождения сигнала. Ключевое отличие - архитектура сигналов.
Исторически ГЛОНАСС использовала частотное разделение (FDMA): каждый спутник передаёт сигнал на своей частоте. В GPS применяется кодовое разделение (CDMA), при котором спутники работают на одних частотах, но используют разные коды.
Современные спутники ГЛОНАСС (серии К и К2) также передают сигналы с кодовым разделением. В результате различия между системами для пользователя практически нивелированы: современные GNSS-приёмники эффективно обрабатывают сигналы обеих систем, а на практике большее значение имеют количество доступных спутников и алгоритмы обработки.
Орбитальная группировка ГЛОНАСС включает 24 спутника, размещённых в трёх орбитальных плоскостях на высоте около 19 100 км. Наклон орбит составляет 64,8°, что обеспечивает лучшее покрытие в высоких широтах по сравнению с GPS.
Плюсы и особенности ГЛОНАСС
Преимущества:
Эффективная работа в высоких широтах
Спутники располагаются выше над горизонтом, что улучшает геометрию наблюдений.
Стабильная орбитальная конфигурация:
Орбиты подобраны с учётом динамики Земли, что упрощает поддержание группировки и обеспечивает предсказуемость работы системы.
Разделение сигналов по частоте:
FDMA снижает взаимные помехи между спутниками. В современных условиях это не является критическим преимуществом, но остаётся особенностью системы.
Особенности:
- Система продолжает развиваться: выводятся новые спутники, расширяется набор сигналов и повышается совместимость с другими GNSS-системами
- Частотное разделение снижает взаимные помехи, однако в реальных условиях устойчивость приёма зависит от уровня помех, антенны и алгоритмов обработки сигнала в приёмнике.
В чем разница ГЛОНАСС и GPS
Основные различия связаны с параметрами орбит и сигналами. В северных регионах ГЛОНАСС обеспечивает более выгодную геометрию наблюдений, в средних широтах различия минимальны.
Ни одна из систем по отдельности не является универсальной. GPS обеспечивает равномерное глобальное покрытие, однако в высоких широтах геометрия может ухудшаться. ГЛОНАСС, благодаря параметрам орбит, эффективнее в северных регионах. На практике наилучший результат достигается при совместном использовании систем, особенно на территории России.
Приёмники с поддержкой GPS и ГЛОНАСС
Современные GNSS-приёмники работают одновременно с несколькими системами: GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и др. Они используют все доступные спутники, не разделяя их жёстко по системам.
При этом приёмники позволяют управлять используемыми системами: при необходимости можно исключать отдельные спутниковые группировки или сигналы из решения. Это применяется, например, при работе в условиях помех, нестабильного приёма или для повышения надёжности результата.
Мультисистемность GNSS-приёмника - не просто большее количество “видимых” спутников, а возможность гибко управлять составом решения под конкретные условия работы.
Использование нескольких систем даёт:
- увеличение количества наблюдаемых спутников
- улучшение геометрии (PDOP)
- повышение стабильности решения
В задачах, требующих высокой надёжности позиционирования, используется два подхода к получению поправок: через RTK-сети или с применением собственной базовой станции.
RTK-сети обеспечивают удобство и быстрый старт работ, однако их эффективность зависит от доступности связи и плотности инфраструктуры. В свою очередь, локальная (своя) базовая станция даёт независимость от внешних сервисов и позволяет контролировать процесс измерений и снижать риски простоев в работе.
При этом использование собственной базы не исключает влияние внешних факторов (геометрия спутников, помехи, условия приёма) и рассматривается как инструмент повышения устойчивости и снижения зависимости от внешних факторов, а не универсальное решение
ГЛОНАСС или GPS: что лучше и нужно ли между ними выбирать
В современных условиях этот вопрос во многом утратил актуальность. Современные GNSS- приёмники изначально разрабатываются как мультисистемные и поддерживают одновременную работу с несколькими спутниковыми группировками, а также разными частотами и типами сигналов.
Если рассматривать системы отдельно:
- GPS обеспечивает стабильное глобальное покрытие и развитую инфраструктуру, включая наземный сегмент и корректирующие сервисы.
- ГЛОНАСС, благодаря параметрам орбит (наклон 64,8°), эффективнее в северных широтах и обеспечивает более высокое положение спутников над горизонтом, что улучшает геометрию наблюдений.
Для конечного пользователя - будь то геодезист, инженер или специалист по мониторингу - выбор между системами не стоит. Современные задачи решаются за счёт их совместного использования, включая работу с RTK-сетями и дифференциальными поправками.
Использование только одной системы может приводить к потере фиксированного решения и увеличению времени выполнения работ, особенно в условиях ограниченного обзора неба (городская застройка, лес, сложный рельеф), а также при неблагоприятных условиях приёма. В таких ситуациях мультисистемный приём повышает надёжность решения за счёт увеличения количества наблюдаемых спутников, улучшения геометрии (PDOP) и более устойчивого удержания фиксированного решения.
В таких условиях повышение надёжности достигается не только за счёт мультисистемного приёма, но и за счёт выбора источника поправок. В ряде случаев применение собственной базовой станции позволяет снизить зависимость от внешней инфраструктуры и обеспечить более стабильный результат и снизить риски срывов работ.
Может ли ГЛОНАСС заменить GPS
Теоретически - да. ГЛОНАСС является автономной системой и обеспечивает независимое позиционирование. В ряде отраслей на территории России действуют требования по использованию решений с поддержкой ГЛОНАСС.
На практике полный отказ от использования других спутниковых систем нецелесообразен. В условиях плотной городской застройки, карьеров или ограниченного обзора неба приёмник, использующий большее количество спутников из разных систем, обеспечивает более устойчивое и точное решение. Чем выше количество наблюдаемых спутников и лучше их геометрия, тем надёжнее результат.
Почему важно использовать несколько систем
Современные навигационные решения строятся на принципе мультисистемности.
Избыточность:
При временном ухудшении работы одной системы (влияние внешних факторов, условия приёма) остальные продолжают обеспечивать позиционирование.
Точность:
Использование нескольких систем улучшает геометрию наблюдений, что напрямую влияет на точность, особенно при работе с RTK.
Скорость:
Мультисистемные приёмники быстрее получают решение при включении и быстрее фиксируют координаты.
GNSS - это совокупность спутниковых систем, включая GPS, ГЛОНАСС и другие. На практике они используются совместно, дополняя друг друга.
Современные технологии позиционирования строятся на объединении спутниковых группировок, что позволяет обеспечить стабильную работу и высокую точность в различных условиях. Для профессионального применения важно использовать оборудование, способное эффективно работать со всеми доступными системами.
На практике выбор конфигурации оборудования (работа через сеть или с собственной базой) определяется условиями объекта и требованиями к результату. В сложных условиях комбинированный подход позволяет добиться максимальной устойчивости и предсказуемости измерений.
EFT GROUP предлагает комплексные решения для высокоточного позиционирования
На нашем сайте, https://eftgroup.ru/catalog/gnss_oborudovanie/gnss_priemniki/, представлены мультисистемные GNSS-приёмники, предназначенные для геодезии, строительства, мониторинга транспорта и точного земледелия.
Оборудование EFT поддерживает работу с системами GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou, QZSS, IRNSS. Это позволяет выстраивать устойчивую систему измерений с учётом реальных условий на объекте.