Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС, Beidou, Galileo, GPS – точность, отличия, совместное использование в навигаторах

Глобальные (спутниковые) навигационные системы ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Beidou (КНР), Galileo (Евросоюз) – дают возможность определить, с помощью приборов-навигаторов, в том числе и портативных, текущее местоположение (координаты), дату и время, траекторию и скорость движения объектов на суше и на море, а так же в околоземном пространстве.

Российская ГЛОНАСС (Glonass, GLN) функционирует с начала 90-х годов. Сейчас в составе орбитальной группировки – более двух десятков действующих спутников. По проекту, спутниковую группировку составят порядка тридцати космических аппаратов, включая резервные (для нормального функционирования системы, достаточно штатной работы 24-х спутников).

Новые навигационные спутники третьего поколения, ГЛОНАСС-К – имеют срок активной службы, примерно, 10 лет. Старые аппараты серии ГЛОНАС-М будут эксплуатироваться ещё какое-то время, с постепенной заменой на новые. Каждый спутник делает около двух оборотов в сутки, вокруг Земли. Высота трёх круговых орбит, от земной поверхности – порядка 19-20 тыс.км.

С 2007 года разрешено применение ГЛОНАСС для гражданских нужд. Сейчас система работает на всей территории России, внедряется и успешно применяется на транспорте, в том числе и пассажирском, для мониторинга и оптимизации графика движения автотранспорта и повышения эффективности грузоперевозок, диспетчером автохозяйства. Системами навигации оснащается транспорт оперативных служб – полиции, МЧС, скорой помощи.

В России реализуется проект ЭРА-ГЛОНАСС (система Экстренного Реагирования при Авариях, ДТП, основанная на применении средств спутникового мониторинга транспорта), подразумевающий, что весь автотранспорт (и грузовые автомобили и легковые авто) в обязательном порядке оборудуют навигационно-связными терминалами ГЛОНАС/GPS, автоматически передающими, в случае тяжёлой аварии (к примеру, сопровождающейся срабатыванием подушек безопасности), свои координаты по каналам мобильной связи в дежурно-диспетчерскую службу. Оператор голосом уточняет, у водителя, детали происшествия и в случае подтверждения информации или при отсутствии ответа – направляет соответствующие службы на место ДТП, например, спасателей МЧС, Скорую помощь, ГИБДД. Водитель или пассажиры – могут и вручную передать данные, с поискового маячка, диспетчеру.

С персонального маячка слежения (терминала-регистратора, Glonass-трекера), вместе с данными о местоположении, в реальном времени (координаты, с точностью до первых метров), получается и дополнительная информация (с помощью датчиков контроля расхода топлива и его уровня в баках, факта включения двигателя и частоты оборотов, значения напряжения бортовой сети, высоты над уровнем моря и т.д.), передается по GSM каналу (по доступной сотовой связи) на удаленный сервер, где сохраняется для передачи пользователю. Модуль имеет резервный источник питания и встроенную энергонезависимую память. Период сбора данных – происходит через заданный интервал времени. На сервере, с помощью специальной компьютерной программы, фиксируется и обрабатывается вся получаемая информация (местоположение транспортного средства, маршрут и скорость его движения, со всеми остановками и стоянками, данные с датчиков параметров), с возможностью наблюдения на карте, в онлайн-режиме, просмотра истории с архива по другим дням, статистики треков движения и другими функциями.

Навигационное оборудование, использующее ГЛОНАСС, оснащается и дублирующими GPS-модулями.

Эта инфраструктура будет работать на всей территории РФ и контролировать всю сеть автодорог. «ЭРА ГЛОНАСС» совместима с аналогичными службами, создаваемыми в странах Таможенного союза и Евросоюза (в Западной Европе реализуется аналогичная система – «eCall»). Основные цели проекта: повышение безопасности грузовых и пассажирских перевозок, снижение уровня смертности и травматизма на автодорогах за счёт ускорения оповещения служб экстренного реагирования при дорожно-транспортных происшествиях, авариях и других чрезвычайных ситуациях, создание массового навигационного рынка услуг и оборудования.

Американская GPS (Global Positioning System) известная и под другим названием – NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging). Полнофункциональную работу начала с 1995 года, но применялась уже в ходе войны в Персидском заливе в 1991 г. Состоит из, примерно, 30 спутников (включая неработающие, те, что находятся в резерве) на 6 орбитах ("в шести плоскостях"). С 2000 г в США снят запрет (режим селективного доступа для гражданских потребителей) на определение точных кординат с помощью сигнала GPS, что заметно уменьшило погрешность измерений горизонтальных координат – до нескольких метров. Но, Пентагон, в случае военных действий на определённых территориях, может отключить, над ними, спутниковый сигнал или создать помехи (например, программной командой на искажение, загрубление информации – смещение координатной сетки на сотни и тысячи метров по горизонтали). Спецслужбы США и подконтрольные им структуры – могут локально, где-нибудь в зоне конфликта, размещать и включать «глушилки» (специальное оборудование для радиоэлектронной борьбы) на открытый сигнал. При этом, приборы и вооружение войск НАТО будут и дальше нормально функционировать на кодированном сигнале. В последние годы, в связи с Украинскими событиями, войной на Ближнем Востоке, напряжённой ситуацией в Афганистане и в Северной Корее – значительно снижается надёжность работы навигаторов GPS, их точность, в России и на сопредельных территориях. Так, в апреле 2014 года, Росавиация зафиксировала случаи сбоев и отказа бортовых навигационных систем GPS гражданских самолетов российских авиакомпаний, при полете над территорией воздушного пространства Украины и над акваторией Чёрного моря. В связи с этими фактами, пришлось ускорить сроки вывода на полный уровень работы своей национальной навигационной системы ГЛОНАСС, с поэтапной заменой, на спутниках, импортных комплектующих на отечественные.

В двадцатые годы, после вывода на орбиту спутников нового поколения, начнёт работать GPS III. В обновлённой системе будет добавлен дополнительный гражданский сигнал L2. Возможно, увеличится и мощность основного сигнала (L1).

Глонасом – точнее определяются координаты в полярных широтах, американской джипиэс – ближе к экватору.

Китайская Beidou – ещё создаваемая КНР глобальная система спутниковой навигации, которая, через несколько лет, станет основным конкурентом российской ГЛОНАСС и американской GPS, на рынке общемировых навигационных услуг. По заявленным, в СМИ-публикациях, планам, китайцы планируют, до конца 2020 года, довести до 30 штук, количество выведенных на орбиту спутников BeiDou.

Навигационные приборы

Спутниковые навигаторы, по способу эксплуатации и назначению, бывают автомобильные, переносные, морские и т.д. Для работы в особых условиях, в удалённых и необжитых районах, существуют абсолютно автономные варианты комплектации аппаратуры – с зарядкой аккумуляторов от солнечных батарей или миниатюрных генераторов.

Наиболее распространённые автонавигаторы – Garmin, Navitel и прочие марки, от других известных фирм-производителей. Для передачи данных могут использоваться разнообразные интерфейсы: проводной USB, беспроводные встроенные модули Bluetooth и WiFi. Цена современных навигаторов, по сравнению с первыми моделями, уже значительно меньше. Даже дешевые двухсистемные аппараты – имеют неплохие рабочие параметры и характеристики.

В России производятся многосистемные (GPS+, то есть – модели с несколькими приёмниками) навигаторы Glospace SGK, способные работать, одновременно, с навигационными системами ГЛОНАСС и GPS, принимающие сигналы всех спутников, которые находятся в данный момент над потребителем, что повышает скорость и точность определения координат, особенно – в условиях многоэтажных застроек, на узких городских улицах.

Спутниковые навигационные системы – навигатор ГЛОНАСС / GPS – фото Glospace SGK

«Глоспейс» поддерживает систему SMILINK (показывает пробки на дорогах) и умеет прокладывать объездные маршруты. Приём сигналов может вестись сразу от нескольких спутниковых систем (гланасовской и джипиэс) – 20-канальным приёмником, что позволяет повысить точность определения координат, скорость и надёжность работы прибора. В случае потери сигнала, эти системы подстрахуют друг-друга. Дополнительные функции: возможность просматривать фильмы, фотографии, подключать внешние устройства. Есть встроенные часы и игры.

Для навигации, необязательно иметь с собой навигатор. Сейчас, многие модели современных смартфонов – оснащены ГЛОНАСС/GPS-приёмником. В Интернете можно найти и платные и бесплатные программы, в виде мобильных приложений, для использования своего смартфона или планшета в качестве навигатора и/или регистратора.

Форматы данных

NMEA 0183 – стандарт протокола передачи данных между GPS-приемником и компьютером, формат, гарантирующий совместимость с программами. Масштабы GPS-карт с примерами стандартной номенклатуры (обозначения) листов: мелкомасштабные (географические, обзорные) 1 : 1 000 000 N-37 – в 1 сантиметре 10 километров ("миллионка", "десятикилометровка") 1 : 500 000 N-37-Б – в 1 см. 5 км.("пятисотка","пятикилометровка", сплошные горизонтали высот – проведены через 50 метров). Или N-37-2 1 : 200 000 N-37-XVI – в 1 cm. 2 km.("двухсотка","двухкилометровка", горизонтали рельефа построены через 20 м.) Альтернативное название: N-37-16 крупномасштабные (топографические карты и планы) 1 : 100 000 N-37-56 – в 1 см. 1 км. ("сотка", "километровка", изолинии высот – ч/з 20м) 1 : 50 000 N-37-56-A – в 1 сантиметре 500 метров. 1 : 25 000 только при наличии допуска и официального разрешения. 1 : 10 000 -- " -- детальные планы местности 1 : 5 000 1 : 2 000

Программа для определения, по коорд., номера листа GPS-карты >>

Переименованные населённые пункты

На старых топографических картах советского гештаба, пяти- и двухкилометрового масштаба, которые есть в сети Интернет – названия могут существенно отличаться от сегодняшних, современных.

Примеры переименований городов на территориях бывшего СССР в девяностые и нулевые годы, а так же в нынешнее время (их прежнее и нынешнее название):

Актюбинск – Актобе,
Андропов – Рыбинск,
Белокаменск – Инкерман,
Брежнев – Набережные Челны,
Ворошиловград – Луганск,
Горький – Нижний Новгород.
Жданов – Мариуполь,
Калинин – Тверь,
Куйбышев – Самара,
Ленинабад – Худжанд,
Ленинград – Санкт-Петербург,
Лениногорск – Риддер,
Обираловка – Железнодорожный,
Планерское – Коктебель.
Свердловск – Екатеринбург,
Семипалатинск – Семей,
Углегорск – Циолковский (космодром «Восточный»),
Халтурин – Орлов,
Шевченко – Актау.

Смотреть список переименованных городов >>

Международная разграфка карты мира на листы масштаба 1:1 000 000 для северного и южного полушарий Земли.

Международная разграфка карты мира на листы м-ба 1:1 000 000 (миллионные) для северного и южного полушарий Земли, симметричная. Колонны (по меридианам) нумеруются арабскими цифрами: 1 – 60. Широтные ряды (пояса) подписываются латинскими буквами: A – V.

На южных листах – справа от номенклатуры ставится обозначение ЮП (южн. полушарие). На импортных картах – слева ставится буква S (Юг). Пример обозначения в зарубежных картогр. материалах: SJ55-05 (город – Мельбурн, страна - Австралия, Ряд – J в южном полушарии, Колонна – 55, пятый планшет м-ба 1:250 000 (250К) на листе SJ55 миллионки (1М).

Векторные карты для Глонасс / Gps имеют преимущества перед растровыми: возможность поиска по названию населённого пункта, хорошая читаемость и повышенная точность при увеличении / уменьшении масштаба, тематические слои (их можно включать / отключать, наслаивать в определённой последовательности), координатная сетка, получение объёмного трёхмерного изображения. Они, обычно, "легче" растровых и быстрее грузятся и обрабатываются. Оцифровка карт с бумажных носителей производится в ручном, полуавтоматическом, и редко – в полностью автоматическом режиме с помощью специальных программ векторизации, с сохранением в 3D-формате (трёхмерном, то есть – объёмном). Оцифровку проводят специализированные организации и фирмы, имеющие лицензию, после оформления соответствующих договоров на выполнение работ.

Основные векторные форматы:

AutoCAD – DXF (двоичный или ASCII (текстовый), большой по объёму), DWG (бинарный, стандартный формат Автокад).

DWF – Drawing Web Format, компактный 2D-формат Auto CAD, адаптирован для Интернет и вывода на экран монитора, а так же – для печати на бумагу двухмерных векторных изображений.

MapInfo – MIF, MID

OziExplorer – WPT (путевые точки), PLT (треки)

Garmin MapSource map – IMG

– и другие. Из файла одного формата можно конвертировать графические данные в другие форматы – с помощью специальных convert – программ.

Растровые сканы карт в формате JPG, GIF, BMP и др., в отличие от векторизованных – обычно, содержат больше визуальной информации (горизонтали рельефа местности, лес, полевые дороги, рисунки "от руки", надписи и пометки "на полях" бумажных носителей), значит – они должны включаться в комплект картографического материала (в том числе – на бумаге) и дублировать электронный "вектор". Растеризацией (есть такая опция в графических редакторах) можно перевести векторные материалы в точечный формат.

Информация на сканированных советских планшетах, в большинстве случаев – устарела. На них отсутствуют новые дороги, мосты и переезды, АЗС; не соответствуют контура населённых пунктов. Но остались актуальными, не изменились – горизонтали рельефа местности, реки, контура лесов и большинства крупных водоёмов. Старые топопланшеты советских времён отличает высокое качество и стандартные условные обозначения на топографической карте.

Основные современные программы для GPS-карт: GPSExplorer, OziExplorer, Osmand. В них есть возможность импортировать карты и другие данные из форматов других систем.

Точность измерений с помощью ГЛОНАСС/GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов.

"Бытовые" GPS-приборы, для "гражданских" пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По абсолютной высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды).

Измерители высокой точности "геодезического класса" – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование – может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать многосистемный Glanas / GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают "двойную надёжность и точность" (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное, фактическое улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины – лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений.

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и "далеко" – у линии горизонта (всё это называется "плохая геометрия") и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) – после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек – возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении "вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения" по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) – увеличивается скорость определения координат и расположения на карте.

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на G P S-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), многосистемный (Glonass / Gps) приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника ГПС и два ГЛОНАСС. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт).

Быстрый, "горячий" (длительностью в первые секунды) или "тёплый старт" (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства – возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой функции AGPS, тогда быстрее – до нескольких секунд).

Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат – нужны, как минимум, четыре сп-ка.

Необходимость создания собственной, отечественной системы навигации связана с тем, что GPS – американская, потенциальных противников, которые могут в любой момент Ч, в своих военных и геополитических интересах, селективно отключить, "глушить", модифицировать её в каком-либо регионе или увеличить искусственную, систематическую ошибку в координатах (для иностранных потребителей этой услуги), что и в мирное время всегда присутствует.