Состояние и перспективы развития ГЛОНАСС

Перспективы развития системы ГЛОНАСС

Поддержание орбитальной группировки на уровне 24–30 космических аппаратов с учетом их орбитального резерва (24 штатных КА + до 6 резервных КА, по 2 КА в каждой орбитальной плоскости).
Плановая замена космических аппаратов «Глонасс-М» космическими аппаратами нового поколения «Глонасс-К» со сроком активного существования до 10 лет (летные испытания «Глонасс-К» начаты в 2011 году), обеспечивающими:

· введение в дополнение к существующим новых гражданских навигационных сигналов с кодовым разделением каналов в диапазонах L1 и L3;

· повышение точности навигационных определений пользователя до уровня – не хуже 3 метров;

· погрешность передачи потребителю системной шкалы времени системы ГЛОНАСС на любом суточном интервале – не хуже 12 нс;

· доступность навигационного поля на суточном интервале – не хуже 98%;

· совместимость и взаимодополняемость с системой GPS и перспективными системами Gallileo и Compass;

· реализацию функции поиска и спасания в качестве среднеорбитального сегмента системы КОСПАС/SARSAT.

Состояние и перспективы развития ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС сегодня является частью государственной инфраструктуры координатно-временного и навигационного обеспечения. Создаваясь как составляющая оборонного комплекса, на сегодняшний день ГЛОНАСС нашел применение в разных сферах народного хозяйства страны, и темпы интеграции в такие отрасли, как строительство, сельское хозяйство и транспорт стремительно растут.

Одним из основных принципов развития системы является отсутствие прямой платы за пользование услугами ГЛОНАСС. Кроме этого, развитию системы способствует направленность на международное сотрудничество в области совместимости и взаимодополняемости систем, и, как следствие – использование ГЛОНАСС в комбинации с другими ГНСС, наземными радионавигационными системами и прочими средствами навигации для повышения точности и надежности навигационных определений.

Федеральная целевая программа ГЛОНАСС, рассчитанная на период 2002 – 2011 годы, является основой поддержания, развития и использования ГЛОНАСС. Основными задачами программы на сегодняшний день являются:

• Полное развертывание орбитальной группировки из 24 космических аппаратов (спутников) к моменту завершения программы;
• Улучшение характеристик ГЛОНАСС;
• Реализация новых навигационных сигналов;
• Содействие глобальному применению системы ГЛОНАСС.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 12 сентября 2008г. выделено дополнительное финансирование на реализацию целей программы. Для эффективности реализации основных целей программа делится на следующие направления:

• Поддержание и развитие ГЛОНАСС;
• Разработка гражданской потребительской аппаратуры;
• Внедрение ГЛОНАСС на транспорте;
• Модернизация геодезической основы;
• Разработка специальной потребительской аппаратуры.

На государственном уровне реализация программы регулируется указом Президента РФ от 7 мая 2007 г. № 638 «Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации».

Рис. (5) Архитектура системы ГЛОНАСС

Планируемая орбитальная группировка системы ГЛОНАСС включает в себя 24 космических аппарата (3 плоскости по 8 спутников в каждой) с круговыми орбитами (высота 19100 км, наклонение 64,8 градусов) с периодом около 11 ч 15 мин. Для вывода космических аппаратов на орбиту используются ракеты-носители Протон-М (стартуют с Байконура) и Союз-2 (с Плесецка). За один раз Протон-М выводит на орбиту три спутника.

Прошедший 2010 год ознаменован двумя событиями: запуском 42-го Блока второго сентября, в результате которого на рабочую орбиту выведены три спутника «Глонасс-М», и неудачным запуском 43-го блока пятого декабря, в результате которого три космических аппарата «Глонасс-М» были утрачены. На 2011 год запланированы запуски аппаратов «Глонасс-К» в рамках летных испытаний, а также запуск пяти космических аппаратов «Глонасс-М», в результате чего будет обеспечено развертывание и поддержание орбитальной группировки в штатном составе.

Рис. (7) Состав орбитальной группировки ГЛОНАСС

По состоянию на сегодняшний день на орбите находятся 26 космических аппаратов ГЛОНАСС, 22 из которых эксплуатируется в штатном режиме и 4 находятся на техническом обслуживании. Орбитальная группировка ГЛОНАСС уже сейчас обеспечивает непрерывную навигацию на территории РФ и практически непрерывную навигацию по всей поверхности Земли (глобальная доступность составляет более 99%).

Рис. (8) Доступность ГЛОНАСС

Говоря о точности ГЛОНАСС, следует отметить тот факт, что за последние три года точность системы увеличилась в пять раз. В настоящее время точность ГЛОНАСС и GPS представляют собой величину одного порядка. Дальнейшее улучшение точности ожидается в конце 2011 года.

Рис. (9) Точность ГЛОНАСС

Модельный ряд аппаратов космического сегмента системы открывает спутник «Глонасс», гарантированный срок активного существования (САС) которого составлял три года. Заявленная нестабильность бортового синхронизирующего устройства (БСУ) составляла 5*10-13. Спутник передавал FDMA сигналы L1SF, L2SF, L1OF. Всего было запущено 81 космический аппарат такого типа, реальный срок активного существования составил 4,5 года в среднем.

Следующее поколение спутников носит название «Глонасс-М». Эти космические аппараты входят в состав орбитальной группировки на сегодняшний день. Гарантированный САС спутников этого поколения составляет 7 лет, а нестабильность БСУ – 1*10-13. Они транслируют все сигналы спутника Глонасс, а также FDMA сигнал L2OF с открытым доступом. По состоянию на сегодняшний день запущено 28 таких космических аппаратов, и еще восемь планируется запустить до конца 2012 года.

Планы развития ГЛОНАСС включают модернизацию космического сегмента и ввод в эксплуатацию спутников нового поколения. Уже на этот год запланированы широкомасштабные испытания негерметизированного космического аппарата «Глонасс-К1». Гарантированный САС таких аппаратов составляет 10 лет, а ожидаемая нестабильность БСУ – 5*10-14. Эти спутники будут транслировать все FDMA сигналы «Глонасс-М», и в дополнении – тестовый CDMA сигнал L3OC, а также будут ретранслировать сигналы системы поиска и спасания. Следующее поколение – «Глонасс-К2», с гарантированным САС 10 лет и ожидаемой нестабильностью БСУ 1*10-14, будет транслировать сигналы «Глонасс-М», ретранслировать сигналы системы поиска и спасания и ряд сигналов CDMA: L1OC, L3OC, L1SC и L2SC.

Основные направления модернизации навигационных сигналов ГЛОНАСС:

• Обеспечение лучшей точности для фазовых измерений и измерений псевдодальности;
• Обеспечение лучшей помехозащищенности и устойчивости сигналов ГЛОНАСС;
• Обеспечение взаимодополняемости ГНСС.

Новые сигналы с кодовым разделением (CDMA) вводятся начиная с космических аппаратов «Глонасс-К». Транслирование старых (действующих) сигналов сохраняется.

Рис. (12) Модернизация сигналов ГЛОНАСС

Программа поддержания, развития и использования ГЛОНАСС до 2020 года предполагает массовое внедрение отечественных навигационных технологий, а также гарантированное предоставление потребителям всех категорий навигационных услуг с учетом непрерывно возрастающих требований к ним. Программа составляется и реализуется в интересах национальной безопасности и социально-экономического развития Российской Федерации и для укрепления её лидирующих позиций в области глобальной спутниковой навигации.

Принципами развития системы ГЛОНАСС являются улучшение её характеристик, расширение функциональных возможностей, условий и сфер использования, а также сбалансированное развитие составных частей системы. Ключевой качественный параметр Программы – гарантированное обеспечение заявленных характеристик навигационного поля системы ГЛОНАСС.

Рис. (13) Космический сегмент навигационных спутниковых систем и функциональных дополнений

Рис. (14) Перспективы развития спутниковых навигационных систем после 2015 года

Основные задачи федеральной целевой программы ГЛОНАСС-2020:

• для поддержания: государственные гарантии поддержания характеристик навигационного поля на заявленном уровне (программа запусков определена до 2020 года с учетом орбитального и наземного резерва);
• для развития: развитие орбитальной группировки, создание новых дополнительных навигационных сигналов, улучшение точности и доступности, повышение помехозащищенности, реализация новых функций, расширение областей обслуживания;
• для использования: обеспечение государственных нужд, содействие коммерческому использованию, развитие ГЛОНАСС в глобальное средство общего пользования.

Рис. (16) Развитие структуры ГЛОНАСС

Для повышения качества функционирования космических навигационных систем на территории РФ создается система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ). В число ее основных задач входит мониторинг целостности ГНСС, апостериорный анализ характеристик системы и трансляция дифференциальных поправок.

На данный момент система включает только наземный сегмент, представляющий собой сеть станций слежения. Текущая сеть станций насчитывает 14 станций в России и две станции в Антарктиде. Развитие системы предусматривает развертывание восьми дополнительных станций на территории РФ и пяти станций за рубежом.

Рис. (20). Станция сбора измерений ССИ-01 (станция Беллинсгаузен, Антарктида, 2010 г.)

Кроме этого, в рамках развития СДКМ запланировано введение в эксплуатацию космического сегмента. Уже в 2011 году планируется вывод на орбиту космического аппарата Луч-5А, а в 2012 и 2013 – соответственно Луч-5В и Луч-4.

Рис. (19) Космический сегмент СДКМ

Области применения ГЛОНАСС показаны на двух следующих схемах:

Рис. (21) Военные применения ГЛОНАСС

Рис. (22) Гражданские применения ГЛОНАСС

Система СДКМ является российским аналогом широкозонных функциональных дополнений, таких как американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS. C вводом в строй системы СДКМ будет обеспечено глобальное покрытие в северном полушарии услугами, которые предоставляют широкозонные системы функциональных дополнений космического базирования SBAS.