Что лучше — ГЛОНАСС или GPS: главные различия систем навигации

Что такое ГЛОНАСС и как она работает

ГЛОНАСС – глобальная спутниковая навигационная система российской разработки. Она создавалась с конца 1950-х, но широкое распространение в гражданском секторе получила лишь в нулевых годах XXI века. В настоящее время она принадлежит Российской Федерации 

Нередко встречаются утверждения, что «ГЛОНАСС – это аналог GPS», но это не так. Советские ученые начали создавать систему спутниковой навигации раньше американцев: в СССР основы технологии разработали к 1958 году, в США же задумались об использовании космических аппаратов для навигации в 1959 году, уже после запуска первого искусственного спутника Земли Советским Союзом. 

История развития ГЛОНАСС

Для начала разберемся, как происходит определение координат с помощью ГЛОНАСС. Оно осуществляется с помощью сети из нескольких спутников, находящихся на орбите на высоте примерно 19 000 – 20 000 км над землей. Когда вы хотите узнать свое местоположение, ваше устройство с ГЛОНАСС обнаружит как минимум четыре из этих спутников. Далее будет измерено время, необходимое для того, чтобы сигнал от спутников достиг вашего устройства, а потом— рассчитано расстояние до каждого из них. Так как координаты спутников в любой момент времени известны, по этим расстояниям можно вычислить текущую геопозицию приемника.

Для покрытия всей земной поверхности в орбитальную группировку навигационной системы ГЛОНАСС должно входить не менее 24 спутников. При таком количестве в зоне «видимости» каждого пользователя как раз находится как минимум 4 космических аппарата (КА). И именно столько нужно, чтобы определить четыре параметра, важных для точного геопозиционирования: координаты X и Y, высоту Z и разницу по времени между часами на спутниках и часами устройства пользователя. 

Принцип работы системы навигации

На момент написания статьи в составе орбитальной группировки ГЛОНАСС находится 26 спутников и один — на этапе ввода в систему.

Текущее положение космических аппаратов ГЛОНАСС на 14.07.22

Чем ГЛОНАСС технически отличается от GPS

GPS — Global Positioning System, система глобального позиционирования, разработанная США. Она использует те же принципы определения местоположения, что и ГЛОНАСС. По состоянию на конец июня 2022 года в орбитальной группировке GPS насчитывался в общей сложности 31 действующий спутник. Однако GPS, как и ГЛОНАСС, для покрытия всего Земного шара достаточно 24 спутников.

Внешний вид орбитальных группировок

Между системами ГЛОНАСС и GPS — тысячи технических различий, но подавляющее большинство из них не значимы для рядового пользователя. Остановимся на основных, кроме разницы в числе спутников, о которой мы уже сказали:

• Расположение спутников. Космические аппараты ГЛОНАСС размещаются в трех плоскостях, они наклонены к экватору под номинальным углом 64,8° и обращаются с периодом 11 ч 15 мин 44 с. Движутся они асинхронно с вращением Земли. Это обеспечивает устойчивую орбитальную систему, которой практически не требуется корректировка орбит КА, в отличие от орбит GPS. Более того, даже если несколько спутников выведут с орбиты, это не повлияет на доступность навигации на территории РФ. В свою очередь, спутники GPS находятся в шести плоскостях под наклоном около 55° и обращаются синхронно — им для точного геопозиционирования нужны наземные корректировочные станции.
• Способ передачи данных. Информация, передаваемая спутниками, шифруется при помощи разных протоколов: у ГЛОНАСС это FDMA, более энергозатратный протокол, но с лучшей защитой данных; у GPS — экономичный и менее безопасный CDMA.
• Погрешность позиционирования. У ГЛОНАСС она составляет 3–6 м, у GPS — 2–4 м. 
• Покрытие. ГЛОНАСС покрывает 100% всей территории РФ и 70% планеты. GPS же работает везде, кроме широт близ полярных кругов — дело в наклоне орбиты.

По сути, для рядового пользователя нет разницы, по каким орбитам и на какой высоте движутся спутники, как на них передается информация с наземных станций слежения, как производятся расчеты. Ему не нужна «хирургическая» точность определения геопозиции. Однако погрешность в пару метров может иметь решающее значение в гражданской и военной авиации, геодезии и картографии, определении границ земельных участков. С помощью наземной инфраструктуры и более сложного навигационного оборудования и ГЛОНАСС, и GPS могут выдавать координаты с точностью до нескольких миллиметров.

Основные различия между ГЛОНАСС и GPS мы свели в таблицу:

Навигационные системы Galileo и Beidou

В мире существуют и другие системы навигации. Например, Galileo принадлежит ЕС и Европейскому космическому агентству. В развитии проекта принимают участие десятки государств, в том числе из Юго-Восточной Азии и Латинской Америки. К слову, большая часть спутниковой группировки Galileo выведена на орбиту с помощью российских ракет-носителей серии “Союз”. 

Космические аппараты системы Galileo находятся на высоте 23 222 км

В отличие от ГЛОНАСС и GPS, Галилео не контролируется министерствами обороны ни одного из государств. В то же время на законодательном уровне ЕС разрешено использование системы при проведении военных операций армиями европейских стран. 

Несмотря на все усилия, на развертывание полноценной орбитальной группировки Galileo ушло уже больше десяти лет, а работа еще далека от завершения. Часть спутников не работает, не используется или функционирует в тестовом режиме. Летом 2019 года произошел масштабный сбой, во время которого навигационная информация Galileo оказалась недоступной на несколько дней для всех потребителей. Наконец, на несколько лет растянулся проект по улучшению защиты системы от хакерских атак. 

Еще одна крупная спутниковая система навигации разработана в Китае – это BeiDou. Технологически она менее совершенна, чем ГЛОНАСС или GPS. Где российской или американской системе хватает 24 спутников,  китайской требуется 35. На орбиту BeiDou в настоящее время выведено 49 спутников. Более того, китайским специалистам пока не удалось добиться точности выше 10 метров за пределами страны. Впрочем, большинству пользователей этой системы это и не нужно.

Развитие спутниковой навигационной системы Beidou

Развертывание наземной инфраструктуры BeiDou сейчас продолжается. Так, пока Китаю приходится для отслеживания сигнала со спутников привлекать военно-морской флот. Также остается открытым вопрос расширения инфраструктуры за пределы Китая. 

В настоящее время Роскосмос и Комиссия по спутниковой навигации КНР занимаются обеспечением взаимодополняемости Beidou и ГЛОНАСС. Специалисты обеих стран обещают, что в самое ближайшее время связка российской и китайской систем будет давать более стабильный сигнал и более высокую точность навигации как на территории России, так и в Китае. 

Что будет, если какую-либо из систем навигации отключат

Глобальные навигационные системы устроены таким образом, что полностью отключить любую из них на территории отдельных государств технически невозможно. Даже последние взаимные запреты на постройку станций на территории США и РФ привели лишь к невозможности измерений с погрешностью в диапазоне менее дециметра. Американские станции продолжают принимать и ретранслировать сигналы ГЛОНАСС, а российская инфраструктура работает, в том числе, с навигационными данными GPS, Galileo и Beidou. 

Какая система навигации лучше 

Национальные операторы наземных станций слежения разных стран отмечают, что в определенных широтах одна система работает лучше другой. Например, в северных широтах ГЛОНАСС может быть точнее, чем GPS, а в южноафриканских — наоборот. 

Под эти утверждения подводится техническая база, но все специалисты вынуждены согласиться, что точность позиционирования и стабильность сигнала зависят от множества факторов. В их числе:

• Положение спутников по отношению к пользователю, их количество и «видимость». Например, из-за особенностей расположения спутников в северных широтах лучше работает ГЛОНАСС, в то время как GPS в Арктическом регионе дает сбои.
• Класс и качество навигационного оборудования пользователя. 
• Наличие/отсутствие помех на частотах навигационных радиосигналов.

К примеру, в ИАЦ ГЛОНАСС отмечают, что с нестабильностью приема любой навигационной системы или полным отсутствием сигнала со спутника можно столкнуться в лесу с деревьями с густой кроной, на подземных паркингах, в многоэтажной застройке, в конструкциях, построенных с использованием железобетонных плит.

Так что же все-таки лучше для рядового пользователя? ГЛОНАСС или GPS? А может, Galileo или Beidou? На этот вопрос убедительно ответили российские и китайские специалисты во время межгосударственных испытаний спутниковой навигационной доступности «Шелковый путь».

В ходе исследования испытывались различные навигационные приборы, а заодно проверялась точность навигационной информации (без корректировки с наземных станций) систем ГЛОНАСС, GPS, Beidou и Galileo в десятках городов РФ и КНР, от Выборга и до юго-восточных провинций Китая. 

По результатам исследований на территории РФ можно сделать следующие выводы:

• На многих участках, даже в европейской части РФ, Galileo не могла предоставить навигационную информацию из-за того, что среднее количество видимых КА было меньше четырех. За Уралом рассчитывать на Galileo и вовсе не приходится.  
• У Beidou на территории РФ в среднем результаты хуже, чем у ГЛОНАСС и GPS. 
• Самая большая точность при определении плановых координат, высоты и времени достигалась при использовании двух-трех систем: ГЛОНАСС-GPS, ГЛОНАСС-Beidou, ГЛОНАСС-GPS-Beidou. 

Подводим итоги

Учитывая все сказанное, некорректно утверждать, что какая-либо из систем хуже или лучше другой. Результативность зависит от многих факторов.

Более высокая точность определения координат достигается:

• При использовании оборудования с поддержкой двух и более навигационных систем, например, ГЛОНАСС + GPS. Такие «многосистемники» применяются в транспорте (самолетах, автобусах и т.п.) и объектах критической инфраструктуры.
• При работе с профессиональным оборудованием высокого класса точности, способного принимать и обрабатывать дополнительную корректирующую информацию от наземной инфраструктуры.  
• При использовании «родной» аппаратуры в соответствующей широкозонной системе коррекции. То есть ГЛОНАСС — на территории РФ и сопредельных государств, а также в северных широтах, Beidou – в Китае, Galileo – в Европе, GPS — на территории США и близ Экватора.  

Что касается мобильных устройств, то в каждом смартфоне, который есть на российском рынке, обязательно стоят чипы ГЛОНАСС и GPS. Сертифицированные в ЕС гаджеты всегда поддерживают Galileo, а китайские разработчики используют в своих устройствах Beidou. Но смартфоны пока не могут гарантировать высокую точность определения геолокации в любой точке земного шара: у них всегда будет погрешность, измеряемая в метрах. 

Фактически выбирать между навигационными системами нет смысла, также как и бояться, что какую-то из них отключат. Современные смартфоны работают переключается между системами навигации автоматически, собирая наиболее точные данные из доступных.