Сегодня любой из нас может взять смартфон и определить свое местоположение. При этом мы забываем о том, что каждое изменение данных о перемещении — это работа десятков спутников на расстоянии сотен километров от Земли, наземных станций и множества специалистов. И все это для того, чтобы вы услышали: "До конца маршрута осталось… Вы приехали". В России за это (и не только) отвечает спутниковая система — ГЛОНАСС.
К истокам
История российской системы началась еще в декабре 1976 года со специального постановления ЦК КПСС и Совета министров СССР. Проект навигационной системы "Ураган" (военной и вполне себе секретной) стал продолжением развития программы "Циклон". Первый же спутник "Ураган" 11Ф654 был запущен на орбиту 12 октября 1982 года, то есть 40 лет назад. Сборка спутников — процесс не быстрый, и лишь к апрелю 1991 года на орбите оказалось 12 работоспособных объектов общей системы. В 1993 году отечественную навигационную систему приняли в эксплуатацию, и процесс пополнения пошел быстрее — необходимых для полноценной работы 24 космических аппаратов удалось достигнуть через три года.
Однако во второй половине 1990-х сложности с финансированием не позволяли пополнять спутниковую группировку — к началу 2000-х на орбите от "Урагана" осталось только шесть космических аппаратов, чего было недостаточно для нормального функционирования.
В 2001 году приняли федеральную целевую программу "Глобальная навигационная система", согласно которой планировалось полностью восстановить отечественную навигационную систему. С 2003-го начались уже запуски спутников "Глонасс-М", и к 2010 году группировка была полностью развернута для полного покрытия Земли.
В настоящее время на орбите Земли находится 26 действующих космических аппаратов ГЛОНАСС, из которых 22 — в работе, два — в орбитальном резерве, один спутник готовится к работе и еще один выведен из эксплуатации. Так, 10 октября с помощью ракеты "Союз-2.1б" с космодрома Плесецк был запущен навигационный спутник "Глонасс-К" — усовершенствованная версия космического аппарата, в которой преобладают отечественные компоненты.
Также планируется поэтапная замена действующих космических аппаратов на более современные устройства "Глонасс-В" и "Глонасс-КМ"; будут введены в эксплуатацию дополнительные каналы передачи сигналов для гражданских пользователей ГЛОНАСС и существенное снижение геолокационной погрешности сигнала глобального позиционирования (в настоящее время погрешность составляет примерно 2,8 м).
Механизм действия
Космические аппараты располагаются на орбите высотой несколько сотен или тысяч километров. У ГЛОНАСС орбита оптимизирована для использования в высоких широтах (высота орбиты — 19 400 км), что важно с учетом географического расположения нашей страны. Из любого региона России (при условии чистого неба) можно одновременно видеть как минимум четыре спутника (обычно больше).
Каждый из них передает сигналы, которые принимает чип внутри вашего смартфона и тем самым позволяет определить его (а соответственно, и ваше) местоположение. Если подробнее, то, зная позиционную точку каждого из космических аппаратов навигационной системы, производят вычисление координат, где сейчас находится смартфон. Чем более точно известно положение спутника на орбите, тем более точным получится вычисление. Этим занимаются наземные службы. Дело в том, что спутники постоянно меняют свое местоположение (как и вы на Земле), а в случае с геолокацией важен каждый метр.
Для того чтобы поиск спутников и получение информации не приходилось начинать каждый раз заново при постоянном его использовании и при перемещении на считаные метры, существуют так называемые системы горячего старта.
Навигационные спутники вместе с сигналом передают информацию о собственном местонахождении, эти данные делятся на два типа: альманах и эфемериды. Альманах содержит параметры орбит всех спутников, и каждый спутник передает альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.
Эфемериды каждый спутник подает только свои — это данные, содержащие очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого аппарата, что требуется для точного определения координат. Передача эфемерид происходит каждые 30 с. Замечали, что ваш смартфон не всегда точно определяет место первые секунды после включения навигатора, а только через некоторое время начинает показывать все более точные координаты? В эти секунды и подгружается информация, полученная от эфемерид.
В случае "холодного старта", то есть включения после большого перерыва или после переноса аппарата на несколько сотен километров, смартфон начинает поиск спутников как бы с нуля: находит сигналы, получает альманах от первого спутника, а затем эфемериды от каждого видимого спутника. После этого он продолжает устойчивое и точное определение координат.
В настоящее время для более быстрого начала работы, а также для лучшего функционирования в условиях недостаточной видимости спутников (например, внутри помещений или рядом с большими зданиями, которые заслоняют небо) используется система A-GPS (не путать с американской системой GPS; A-GPS — общее название сходных систем ускорения работы геопозиционирования; используются для всех спутниковых группировок). При этом часть необходимой для производства расчетов и определения местоположения информации (альманах, эфемериды, приблизительная оценка доплеровского сдвига) передается GPS-приемнику по дополнительному каналу — через интернет. Это значительно ускорило сроки начала эффективной работы навигатора.
Удобство и безопасность
ГЛОНАСС — это не только удобство в повседневной жизни простых пользователей, помощник в путешествиях и незаменимый друг таксистов, но и в первую очередь — подспорье для безопасности страны. Сегодня смартфоны настроены на возможность использования большинства международных навигационных систем: и американской GPS, и европейской Galileo, и китайской Beidou. Но не иметь собственный механизм в этой сфере, особенно нашему государству, на мой взгляд, просто непозволительно.
Вполне вероятно, не будь у России своей столь эффективной системы (ГЛОНАСС находится на одном уровне с зарубежными конкурентами), стоило бы ожидать в современной политической обстановке активных разговоров (и угроз) об отключении нашей страны от спутниковой навигации других государств или как минимум об уменьшении точности сигнала (как это было сделано в американском GPS для гражданских устройств до 2000 года).
Сейчас уже сложно подсчитать, какое количество самых разных сервисов используют спутниковую навигацию, которые существенно улучшают качество жизни: беспилотный транспорт, геодезия, даже игры для мобильных устройств и так далее. Просто представьте, что вам придется искать дорогу по бумажным картам!
Отдельно остановлюсь на российской государственной автоматизированной информационной системе экстренного реагирования при авариях — ЭРА-ГЛОНАСС. Пока этот механизм только внедряется, но он уже все чаще демонстрирует свою эффективность: спасает жизни людей, подавая точные координаты автомобиля в спасательные службы в случае происшествий. А ведь и этот сервис тоже не был бы доступен людям без спутников, без ГЛОНАСС — надежной, удобной и своей системы.