Продолжим наш рассказ о навигационных спутниках. ГЛОНАСС, как и американская система GPS, разрабатывалась в первую очередь для военных нужд. Официальное начало работ по проекту глобальной навигационной спутниковой системы было положено в декабре 1976 года постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР, основываясь на наработках предшествующей системы «Циклон».
Первый успешный запуск в рамках программы состоялся 12 октября 1982 года. Ракета-носитель «Протон» вывела на орбиту спутник «Ураган» 11Ф654 и два массогабаритных макета. Из-за задержек в производстве электронной начинки последующие шесть запусков проходили по схожей схеме: один полноразмерный макет-копия и два полноценных спутника. Эта практика продолжалась до 16 сентября 1986 года, когда на орбиту были выведены сразу три аппарата. К 1991 году на орбите находилось 12 спутников ГЛОНАСС, распределённых в двух орбитальных плоскостях.
Несмотря на сложную политическую и экономическую ситуацию в стране, 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию, после этого начался вывод спутников в третью орбитальную плоскость, и к 1995 году орбитальная группировка достигла штатной численности в 24 аппарата.
Однако к началу 2000-х годов число работающих спутников сократилось до шести. Основными причинами стали малый срок службы аппаратов и недостаточное финансирование программы. Для исправления ситуации была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой планировалось обеспечить полное покрытие территории России к 2008 году, а глобальное покрытие — к 2010 году.
17 сентября 2002 года система ГЛОНАСС перешла на обновлённую геоцентрическую систему координат ПЗ-90.02, а 31 декабря 2013 года — на её усовершенствованную версию ПЗ-90.11. В 2003 году стартовали запуски новых спутников «Глонасс-М», обладающих возможностью передавать два гражданских навигационных сигнала в диапазонах L1 и L2. Эти шаги способствовали постепенному восстановлению системы и повышению её точности.
В 2007 году прошёл первый этап модернизации наземной инфраструктуры, который позволил улучшить точность позиционирования. На втором этапе, реализованном позднее, на семи контрольных станциях были установлены современные измерительные комплексы, что к концу 2010 года повысило точность расчёта орбит и синхронизации времени. Это существенно улучшило навигационные характеристики системы.
В 2011 году наземный сегмент ГЛОНАСС подвергся глубокой модернизации, что позволило сократить среднюю погрешность гражданского позиционирования до 2,8 метра, улучшив точность в 2–2,5 раза. 26 февраля этого же года был осуществлён запуск первого аппарата серии «Глонасс-К», поддерживающего дополнительные сигналы CDMA и тестировавшего новый открытый сигнал в диапазоне L3. Этот шаг стал важным этапом в развитии системы, усилив её конкурентные позиции на мировом рынке.
К 2012 году были сформированы планы по увеличению орбитальной группировки, включающие серийное производство спутников «Глонасс-М» и «Глонасс-К», что обеспечивало большую надёжность системы и её устойчивость к сбоям.
7 декабря 2015 года было официально объявлено о завершении развертывания системы ГЛОНАСС. После успешных испытаний под контролем Министерства обороны РФ она была введена в эксплуатацию.
Как работает?
Спутники ГЛОНАСС движутся по средневысотным круговым орбитам на высоте 19 400 км с наклонением 64,8° и совершают полный оборот вокруг Земли за 11 часов 15 минут. Такая орбита особенно выгодна для работы в высоких широтах, где сигнал американской GPS может быть ослаблен. Спутники ГЛОНАСС распределены по трем орбитальным плоскостям, в каждой из которых находится восемь аппаратов. Для полноценного глобального покрытия требуется 24 спутника, а для стабильного навигационного обеспечения территории России достаточно 18.
Чтобы определить местоположение, приемнику необходимо получать сигналы как минимум от четырех спутников, что позволяет вычислить расстояния до них и определить координаты с высокой точностью. При меньшем количестве доступных спутников точность координат снижается из-за возможных погрешностей в часах приемника. Спутниковые сигналы ГЛОНАСС передаются с круговой поляризацией и эквивалентной мощностью 316–500 Вт, что соответствует диапазону 25–27 dBW.
Система использует два основных типа навигационных сигналов: открытые (для гражданского использования) и защищенные (с повышенной точностью, доступные только авторизованным пользователям, таким как военные). Передача данных осуществляется методом расширения спектра в прямой последовательности (DSSS) с фазовой манипуляцией (BPSK). В старых поколениях спутников применяется FDMA, когда каждому аппарату назначается своя частота, в то время как современные спутники также используют CDMA, что позволяет передавать сигналы на одной частоте с разными кодами.
Навигационные сообщения содержат критически важную информацию: эфемериды (текущие координаты спутника), альманах (данные о всех спутниках системы), поправки к часам, сведения о состоянии аппарата и параметры ионосферы. Передача данных организована в суперкадры, состоящие из множества кадров и строк, каждая из которых имеет строго определенную структуру. В открытых сигналах используется скорость передачи 50 или 100 бит/с, а защищенные сигналы передаются в более сложном формате с увеличенной плотностью данных.
Современные спутники ГЛОНАСС, такие как «Глонасс-К», дополнительно передают сигналы в новых диапазонах L1, L2 и L3, используя более сложные методы модуляции, включая BOC и QPSK. Это позволяет улучшить качество приема, снизить помехи и повысить точность позиционирования. В перспективе система планирует расширение числа спутников и улучшение алгоритмов обработки сигналов, что сделает ГЛОНАСС еще более надежным и точным средством навигации.
Дальнейшее развитие
C середины 2000-х годов готовилось введение сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением (CDMA). В августе 2016 года АО «Российские космические системы» опубликовало интерфейсный контрольный документ (ИКД), описывающий параметры этих новых сигналов.
В 2019 году планировался запуск модернизированного спутника «Глонасс-К2», созданного на основе данных испытаний его предшественника — «Глонасс-К1». В его функционале должны были появиться не только гражданские CDMA-сигналы в диапазоне L3, но и два дополнительных открытых и два зашифрованных сигнала в диапазонах L1 и L2. Это позволяло бы значительно повысить совместимость системы с другими глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС).
Следующим этапом развития станет создание спутника «Глонасс-КМ», параметры которого пока находятся в стадии разработки. Ожидается, что он будет передавать до шести открытых и трех зашифрованных сигналов с кодовым разделением, совпадающих по частотам и модуляции с навигационными сигналами третьего поколения GPS, а также с сигналами Galileo и Beidou. Например, сигнал L1OCM, использующий модуляцию BOC(1,1) на частоте 1575,42 МГц, будет идентичен сигналу L1C модернизированной GPS, сигналу E1 Galileo и сигналу B1C Beidou. Аналогично, сигнал L3OCM с модуляцией BPSK(10) на частоте 1207,14 МГц будет соответствовать E5b Galileo и E2b Beidou, а сигнал L5OCM на 1176,45 МГц — сигналу L5 GPS, E5a Galileo и E2a Beidou. Такое пересечение параметров обеспечит максимальную совместимость приемного оборудования и улучшит точность определения координат, что особенно важно для авиационной и морской безопасности.
Сейчас в рамках модернизации ГЛОНАСС разрабатываются спутники с улучшенными характеристиками. Первые аппараты системы, запущенные с 1982 по 2005 год, уже выведены из эксплуатации, на смену им пришли «Глонасс-М», которые с 2003 по 2022 год обеспечивали стабильность частоты порядка 1⋅10⁻¹³ и передавали сигналы FDMA в диапазонах L1 и L2. В 2011 году стартовало производство «Глонасс-К1», у которых точность частотных стандартов возросла до 5⋅10⁻¹⁴–1⋅10⁻¹³, а в сигналовом составе появился CDMA-сигнал L3OC.
Современные спутники «Глонасс-К2», производство которых началось в 2023 году, отличаются повышенной стабильностью частоты (5⋅10⁻¹⁵–5⋅10⁻¹⁴) и значительно расширенным набором сигналов. Они поддерживают как традиционные FDMA-сигналы в L1 и L2, так и CDMA-сигналы L1OC, L1SC, L2OC, L2SC и L3OC. В перспективе ожидается появление серии «Глонасс-В» (2023–2025 годы) с аналогичными характеристиками и, в дальнейшем, спутников «Глонасс-КМ» (около 2030 года), которые дополнительно получат сигналы L1OCM, L3OCM и L5OCM. Эти усовершенствования сделают систему ГЛОНАСС еще более точной, надежной и совместимой с международными стандартами спутниковой навигации.