Вам могли попадаться новости вроде «ГЛОНАСС перестал работать по всему миру» или жуткие истории «Порядка половины спутников действующей орбитальной группировки „Глонасс“ выработали гарантийный срок. В то же время в наземном резерве находятся всего пять аппаратов „Глонасс-М“», из которых могло сложиться впечатление, что ГЛОНАСС не то совсем сломался, не то дышит на ладан. А как обстоят дела на самом деле?
Подготовка к пуску трех спутников «Глонасс-М»
Немного истории
Вообще, в истории ГЛОНАСС был период, когда система реально оказалась практически неработоспособна. Ко второй половине 90-х закончилась советская инерция запуска новых аппаратов, уже выведенные на орбиту один за другим сломались, и к началу нулевых функционировали, по разным источникам, всего 6-7 спутников, чего было совершенно недостаточно. Но в 2001 году приняли федеральную программу «Глобальная навигационная система», выделили средства, и постепенно, к концу 2011, снова развернули группировку до полной численности в 24 аппарата, не считая резервных.
Подготовка к пуску спутника Transit ранних серий
Погружаясь в историю еще глубже, спутниковые навигационные системы были атрибутом сверхдержавы с начала космической эры. Американцы первыми создали систему Transit для обеспечения боевого дежурства своих подводных лодок с баллистическими ракетами. Первый спутник вышел на орбиту в 1960, а официально Transit приняли на вооружение в 1964. СССР несколько подзадержался, спутники системы «Циклон» стали запускать с 1967, а на вооружение ее приняли в 1976. Зато система «Циклон» обеспечивала не только навигацию, но и связь. Затем примерно в одно время по обе стороны океана начали разрабатывать системы второго поколения, и американская NAVSTAR/GPS была полностью развернута в 1993, а российская ГЛОНАСС — в 1995. Обе системы получились похожими. Разве что ГЛОНАСС лучше работает в высоких широтах, но, вопреки распространенной ошибке, не из-за высоты орбиты (спутники GPS чуть выше), а из-за большего ее наклонения.
В перекрестье сфер
Когда на орбите под тридцать аппаратов группировки, поломка очередного — обычное рабочее событие. А чтобы понять, как это повлияет на функционирование ГЛОНАСС, необходимо разобраться в принципах ее работы.
Начнем с упрощенной задачи на плоскости. Представим себе, что мы оказались в неизвестном месте и хотим определить, куда же мы попали. Как назло, попадающиеся нам прохожие могут сообщить только расстояния до каких-либо населенных пунктов без направления. Мы вооружаемся картой, циркулем и начинаем рисовать. Первый прохожий говорит, что до Москвы по прямой 160 км. Значит, мы можем быть в любой точке круга. Второй — что до Смоленска 275 км. Область поиска сужается до двух точек, в которых окружности пересекаются. Третий говорит, что до Курска 310 км, и мы теперь точно можем сказать, что составитель задачи забросил нас в Калугу.
Рисунок gisgeography.com
В трехмерном пространстве принцип тот же самый, только пересечение двух сфер — это окружность, трех — две точки, и только пересечение четырех сфер даст нам точное местоположение. А иллюстрация становится слишком сложной, чтобы начинать сразу с нее.
Рисунок gisgeography.com
Если говорить совсем просто, спутники GPS или ГЛОНАСС постоянно транслируют точное время и параметры своей орбиты. Наземный приемник не может определять направления, но он по параметрам орбиты рассчитывает, где спутник находится в космосе, а по задержке приема сигнала точного времени, который движется от спутника к приемнику со скоростью света — вычисляет расстояние до спутника.
В теории все работает очень просто, но на практике надо учитывать возникающие помехи.
Атмосферные помехи, иллюстрация gisgeography.com
Прежде всего, сигнал от спутников искажается атмосферой. Поэтому имеют смысл и активно используются наземные станции — если мы знаем ее точное местоположение, то можем вычислить изменения в скорости и направлении распространения сигнала со спутника и разослать поправки на находящиеся в этом же районе приемники.
Далее, имеет значение взаимное положение спутников. Для идеального определения положения один спутник должен быть прямо над головой, а три оставшихся — равномерно распределенными чуть выше горизонта. А если все аппараты на небе рядом друг с другом, то точность падает из-за геометрически неподходящего положения.
Иллюстрация gisgeography.com
Кроме этого есть помехи при переотражении сигнала со спутника от наземных объектов, проблемы точности атомных часов на спутнике (даже наносекунды здесь уже будут вносить ошибки), неточности определения орбиты спутников и другие факторы.
Получается, что, когда один из спутников выходит из строя, то в некоторых местах вместо него приходится выбирать сигнал другого, в худшем положении, что увеличивает ошибку. Естественно, когда ломается один аппарат, это не выводит из строя всю систему. Так что новость «ГЛОНАСС перестал работать по всему миру» правильнее переформулировать на «в некоторых районах Земли ожидается ухудшение точности определения местоположения». Но это, конечно же, звучит не так кликбейтно.
Информационный центр ГЛОНАСС ведет мониторинг точности сигнала и отображает его на своем сайте. Сейчас, когда функционируют 24 аппарата, на карте равномерно хорошая точность, но в случае поломок появятся зоны с большей ошибкой. Спутники могут маневрировать на орбите, поэтому центр управления располагает их так, чтобы точность позиционирования ухудшалась подальше от территории России, где-нибудь в безлюдной части Тихого океана.
Отдельная ирония заключается в том, что гражданские пользователи не заметят вообще никаких изменений, потому что с 2011 года производятся чипы, которые работают одновременно с GPS и ГЛОНАСС, а сейчас приемники способны работать также с китайской «Бэйдоу» и европейской Galileo, пусть они еще и не полностью развернуты. Поэтому гражданское устройство в 2018 году, даже находясь далеко не в идеальном месте, видит два десятка спутников.
Эксперимент с балкона, на запад и юг спутники загораживает дом, тем не менее точность 4 метра
Вопросы стратегии
Известно, что на сегодняшний день во второй и третьей орбитальных плоскостях нет резервных спутников. По самым свежим данным следующий запуск спутника «Глонасс-М» будет в октябре, так что вполне возможно, что мы успеем прочитать новую итерацию жутких новостей.
Положение дел в системе можно подать двумя противоположными способами:
- «Порядка половины спутников действующей орбитальной группировки „Глонасс“ выработали гарантийный срок. В то же время в наземном резерве находятся всего пять аппаратов „Глонасс-М“»
- «Спутники ГЛОНАСС наконец-то научились делать так, что они начали работать дольше гарантийного срока, и, пока старые не сломались, запускать новые нет смысла. А на случай больших проблем у нас есть целых пять запасных на хранении.»
Лично мне ближе второй вариант — для современных спутников норма превышать запланированные сроки работы, и менять аппараты, которые могут еще долго функционировать, на такие же нет смысла. В то же время, отсутствие орбитального резерва в двух плоскостях из трех и очевидная невозможность мгновенно запустить новый спутник на замену означает, что после аварии во второй или третьей плоскостях несколько месяцев группировка будет неполной. Извне мы не можем оценить степень риска, на которую пошли операторы, только время покажет нам успешность выбранного пути.
Заключение
Спутниковая навигация очень быстро стала неотъемлемой частью современной жизни. Ей пользуются не только «серьезные» военные, пилоты и мореплаватели, сейчас это службы такси, фитнес, дроны, фотографии с геотегами и множество других применений. И пока что мир единодушен в том, что у развитой страны должна быть своя навигационная система. Европа, Китай, Индия предпочитают создавать свои созвездия спутников, а не пользоваться готовой GPS. ГЛОНАСС, пусть и со второй попытки, стала полноценной и востребованной навигационной системой, и, когда вы в следующий раз увидите яркий заголовок, не спешите поддаваться эмоциям.
Автор: Филипп Терехов
