ГИС-Ассоциация получила для публикации в своих журналах проблемную статью профессора Бойкова Владимира Васильевича, начальника центра спутниковых технологий ФГУП "Госземкадастрсъемка-ВИСХАГИ" - "Что геодезия ждет от ГЛОНАССа". С нашей точки зрения автор поднимает весьма значимые для практического использования ГЛОНАСС в геодезии вопросы и в целом выражает мнение широкого круга профессионалов-геодезистов. Статья существенно отличается от потока поверхностных и коньюктурных публикаций о ГЛОНАСС, появившихся в последнее время в СМИ, государственностью подходов, профессиональным анализом и предложениями. В связи с этим, не дожидаясь журнальной публикации, даем возможность ознакомиться с ее содержанием. Права на опубликование в печатных СМИ принадлежат ГИС-Ассоциации.

В Москве 7-8 апреля 2008г. состоялся Международный форум по спутниковой навигации («Навигация - 2008»). На нем с докладами по различным темам выступили разработчики и пользователи услуг глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS и Galileo. Заинтересованные слушатели получили информацию о состоянии и планах развития ГНСС. Информация о развитии двух зарубежных систем (GPS и Galileo) слушателей не удивила. У наших конкурентов все идет по плану. Параметры и сервис обеих систем максимально согласованы между собой. Galileo, как новая система, сразу вводит сигналы на частотах L1, L2 и L3 с кодовым разделением каналов, а также специализированные сигналы на частотах L5 и L1С для конкретных групп пользователей. Здесь и далее частоты обозначаются в соответствии с принятой в России нумерацией, хотя в интерфейсном документе GPS они обозначаются по-другому, например, третья частота имеет наименование L5. Первый серийный спутник Galileo будет запущен в 2009г. Полное развертывание (до 30 спутников) будет осуществлено в 2014г. В эти же сроки на блоках GPSIIF и GPSIII будут введены такие же сигналы.

Информационное обеспечение обеих систем основано на данных международных служб, в том числе Международной службы вращения Земли и референцных систем (МСВЗ) и Международной ГНСС службы (IGS). Это создаст единое координатно-временное обеспечение орбитальных группировок спутников, эфемериды в единой системе координат (ITRF) и времени, все с одинаково высокой точностью. Нетрудно догадаться насколько это важно для разработчиков наземной аппаратуры и пользователей.

Слушателей больше удивили выступления на форуме разработчиков системы ГЛОНАСС. По информации Роскосмоса и предприятий космической отрасли орбитальная группировка ГЛОНАССа будет в 2009г доведена до 24 КА и состоять из модернизированных КА ГЛОНАСС-М и в перспективе ГЛОНАСС-К. Введены или будут введены открытые навигационные сигналы с частотным разделением каналов в диапазонах L1, L2, начиная с ГЛОНАСС-К новые сигналы в диапазоне L3, а также специализированные сигналы L5 и L1C. Разрабатывается концепция и требования к навигационным сигналам с кодовым разделением каналов.

Таким образом, из выступлений разработчиков трех систем можно заключить, что они развиваются в унисон. Правда, в отношении развития GPS и Galileo у слушателей сомнений не возникло, чего не скажешь о системе ГЛОНАСС. Но учитывая возросшее внимание государства к отечественной ГНСС, понимание её роли в укреплении безопасности и социально-экономическом развитии страны, российское общество вправе ожидать быстрого доведения ГЛОНАССа до уровня GPS. Было бы прискорбным в числе функционирующих ориентиров называть через несколько лет Galileo и Compass.

Тем не менее, сомнения в отношении озвученных планов остаются. Накопилось много проблем, требующих решения. Наиболее крупные из них, связанные с формированием полной орбитальной группировки, сроками активного существования спутников, точностными характеристиками, были названы в начале года первым вице-премьером С. Б. Ивановым. Есть и другие, не менее крупные проблемы, в т.ч. гражданское применение ГЛОНАССа. О них, связанных с высокоточным позиционированием, что востребовано геодезией, строительством, рядом других отраслей хозяйства, автор и хотел бы подискутировать, тем более, что к разговору на эту тему приглашает руководство ГЛОНАСС / ГНСС Форума и РНИИ КП (сайт ГИС Ассоциации от 25.01.2008г. - http://www.gisa.ru/43401.html ).

Гражданское применение ГНСС в геодезии должно рассматриваться, как геодезическое обеспечение всех сфер хозяйственной деятельности, в т.ч. планирования территорий, землеустройства, различных съёмок, строительства, создания геодезических сетей, изучения планетарных процессов, мониторинга геологической среды и др., что можно обобщить более кратко, как создание инфраструктуры пространственных данных (ИПД). В целом же область применения ГНСС технологий в геодезии простирается на задачи координирования объектов с ошибками от 1мм.

Хотя разработка систем GPS и ГЛОНАСС началась практически одновременно (70 е годы прошлого века), тем не менее ориентиром и в определенной степени идеалом для всех разрабатываемых ГНСС, в т.ч. и ГЛОНАССа, является GPS. Все достижения в области спутниковой навигации и точного позиционирования принадлежат именно этой ГНСС. Лидерство GPS имеет более веские основания, чем просто ранний старт. Назовем два из них, наиболее существенных для пользователей. Первое: сама система GPS и сопутствующая ей инфраструктура построены самым разумным образом с точки зрения получения высокой точности, информационного обеспечения пользователей, скорости и удобства общения с нею. Второе: перманентное совершенствование системы. Побудительным мотивом к этому является конкуренция со стороны других систем, в первую очередь Galileo, тем не менее, это качество является позитивным.

Если бы разработчики ГЛОНАССа ориентировались на эти основания и в ближайшие годы реализовали их, для российских пользователей это было бы «полным счастьем». Но когда оно придет?
В связи с изложенным автор ниже приводит своё, может быть и не бесспорное, видение проблем ГЛОНАССа с позиций геодезии коллективного пользователя ГНСС.

Как известно, общими свойствами ГНСС являются глобальный характер обслуживания, почти полная независимость позиционирования от погодных условий и времени суток, неограниченная пропускная способность, достаточно высокие надежность и точность. Для геодезии высокая точность позиционирования является важнейшим свойством. Совершенствование ГНСС идет по пути усиления этих свойств. Оно заключается в улучшении технических характеристик спутников и наземной инфраструктуры ГНСС, пользовательской аппаратуры, совершенствовании информационного обеспечения ГНСС. В последнее входит координатно-временное обеспечение, в т.ч. уточнение параметров Земли, как планеты, небесных и земных систем координат, определение тектонических движений земной коры, процессов в атмосфере, формирование и поддержание на высоком уровне точности временных шкал, и на основе этого точное определение орбит навигационных спутников. Чтобы реализовать потенциальные возможности ГНСС, необходимо иметь и совершенствовать технологию решения координатных задач.

Доложенные на форуме «Навигация - 2008» планы улучшения технических характеристик ГЛОНАССа, его наземной инфраструктуры отвечают запросам геодезии. Главным для геодезии в этом плане является совершенствование технологии фазовых измерений. Аппаратурная точность единичных фазовых измерений (дробной части) составляет 1мм и менее. Но реализации этой точности препятствуют проблема разрешения неоднозначностей фазовых циклов и ошибки учета среды распространения радиосигналов. Введение третьего сигнала на частоте L3 облегчает решение этих проблем. В то же время частотное разделение каналов в ГЛОНАССе существенно затрудняет разрешение неоднозначностей и усложняет приемную аппаратуру пользователей. В GPS и Galileo с кодовым разделением каналов таких проблем не существует.

Моделирование среды распространения радиосигналов требует постоянных наблюдений за состоянием ионосферы и особенно тропосферы. Использование нескольких частот позволяет практически полностью исключить или учесть влияние ионосферы. Для учета влияния тропосферы необходимы непосредственные измерения метеопараметров на обслуживаемой территории или моделирование тропосферных задержек по другим, в т.ч. спутниковым измерениям. В России эту работу может вести Гидрометеослужба, но для этого требуется проведение организационных мероприятий.

Состояние информационного обеспечения системы ГЛОНАСС и пользователей вызывает пессимизм. Этому виду обеспечения изначально не придавалось должного внимания, хотя точность и эффективность ГНСС в целом зависит от него не в меньшей мере, чем от технического состояния. Информационное обеспечение является настолько сложным и многогранным процессом, а потому и дорогостоящим, что создать его и поддерживать на приемлемом уровне не под силу одному ведомству и даже государству. Требуется международное сотрудничество. Но сегодня участие России в этом сотрудничестве больше походит на имитацию и, как представляется автору, всерьез не воспринимается участниками проектов GPS и Galileo. Чтобы добиться полноправного сотрудничества, необходимо кардинально перестроить эту работу. Оптимизм внушает то, что Россия имеет необходимый для этого интеллектуальный потенциал в лице РАН, университетской и ведомственной науки. Понимание необходимости этого вида обеспечения присутствует и у руководства проектом ГЛОНАСС, что было озвучено на форуме «Навигация - 2008». Важно, чтобы позитивные намерения не остались декларациями.

Основным элементом информационного обеспечения является создание и поддержание на приемлемом уровне небесных и земных систем координат, связей между ними. Этим занимаются международные организации, в первую очередь Международный астрономический союз (МАС), МСВЗ, IGS. Продуктами их деятельности являются небесные системы координат и земная система ITRF. Для эксплуатации GPS Министерством обороны США введена и используется геоцентрическая координатная система WGS-84, которая в 2000г. практически совмещена с ITRF2000. В Galileo также будет применяться система ITRF. Для эксплуатации системы ГЛОНАСС Министерством обороны РФ введена и используется геоцентрическая система ПЗ-90. Вполне понятно, что для интеграции трех ГНСС должна применяться единая отсчетная система, это должна быть система ITRF. У разработчиков ГЛОНАССа есть понимание такого решения, в связи с чем вводится новая версия координатной системы ПЗ-90.02, приближенная к системе ITRF2000.

Для создания отсчетных систем международным сообществом организованы и постоянно проводятся наблюдения на нескольких сотнях станций МСВЗ и IGS, рассредоточенных по всему миру. При этом используются самые современные средства и методы, в т.ч. ИСЗ, радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерная локация Луны (ЛЛЛ), астрономические наблюдения звезд и удаленных радиоисточников.
По этим наблюдениям определяются или уточняются параметры прецессии и нутации, характеризующие положение небесной системы координат, астрономическое и всемирное время, координаты полюса, и скорость вращения Земли, связывающие небесные и земные системы отсчета, другие параметры Земли, как планеты, в том числе гравитационное поле, движение тектонических плит, лунно-солнечные приливы в твердой Земле и океанах, другие параметры и процессы. Станции сетей МСВЗ и IGS с их координатами и собственными движениями на уровне ошибок первых единиц миллиметров и закрепляют геоцентрическую отсчетную систему ITRF.
Необходимость международного сотрудничества и диктуется содержанием вышеперечисленных работ. Чтобы пользоваться их результатами на полноправной основе, России необходимо участвовать в этих работах, неся равную с другими участниками долю затрат.

Созданные таким образом отсчетные системы и постоянно обновляемые связи между ними служат фундаментом определения точных эфемерид спутников ГНСС. В настоящее время бортовые эфемериды спутников GPS вычисляются с ошибками порядка 2 м, в ближайшей перспективе они составят менее 1 м. Ошибки точных эфемерид уже сейчас составляют менее 5 см. Эфемериды спутников ГЛОНАСС пока не обладают такой точностью. Вполне понятно, что точность эфемерид в значительной мере зависит также от возможностей измерительных средств, их точности, числа и распределения на земной поверхности, уровня учета в измерениях задержек в ионосфере и тропосфере, в аппаратуре, а также точности учета в моделях движения спутников возмущающих сил. В системе ГЛОНАСС необходимо улучшить учет влияния этих факторов.

Конечный результат позиционирования по ГНСС получают пользователи с применением геодезической, как правило, двухчастотной, аппаратуры. В России крупносерийное производство отечественной спутниковой геодезической аппаратуры практически отсутствует. Иностранные фирмы выпускают совмещенные GPS/ГЛОНАСС - приемники на зарубежной электронной базе. Их разработка и производство частично организованы и в России. Вполне понятно, что использование спутников двух ГНСС дает ощутимый эффект по точности и времени позиционирования. В настоящее время, однако, такое совмещение не является полноправным. Информация ГЛОНАСС в современных приемниках используется в качестве дополнительной. И это понятно. Разные системы координат и времени, неравноточность эфемерид, разное количество сигналов, доступных гражданским пользователям, разные схемы разделения навигационных сигналов предопределили в качестве опорной системы GPS. Полноправное использование потенциалов двух систем будет возможным после устранения этих рассогласований и других, более мелких на первый взгляд рассогласований типа межканальных сдвигов, которые снижают потенциальную точность, заложенную в обеих системах. Здесь имеет место и политический аспект. Никто, кроме российских производителей и пользователей, кровно не заинтересован в равноправном участии системы ГЛОНАСС в клубе ГНСС. Актуальность системы ГЛОНАСС для пользователей резко снизится, если Galileo по срокам полного развертывания опередит ГЛОНАСС.

Ещё более пессимистично обстоит дело с разработкой технологии координатных определений и программного обеспечения (ПО) математической обработки ГНСС измерений, реализующего современные технологии. Серьезное ПО, доступное гражданским пользователям и сопоставимое по уровню с исследовательскими программими типа Gamit, Bernese и Gipsy, с коммерческими программами типа TGO, LGO, Pinnakle и др., в России отсутствует. Причин отставания много, но следствие одно: система ГЛОНАСС в целом и её отдельные элементы в частности, также и по этой причине, уступают GPS. Правда, из отрывочных сведений известно, что некоторые предприятия и организации, связанные с космической отраслью, разрабатывают и даже имеют программные продукты, сопоставимые по качеству с зарубежными исследовательскими программами Gamit и др. Они однако публично не представлены, отсутствуют на рынке и недоступны гражданским пользователям. Приходится поэтому российским пользователям инвестировать не свою, а иностранную интеллектуальную элиту.

Высокий уровень исполнения GPS стимулируется, кроме всего прочего, еще и взаимным влиянием двух школ, одна из которых занимается техническим исполнением проекта, а другая - методологией математической обработки измерений. В разработке ГЛОНАССа такого сотрудничества не сложилось. Ситуацию необходимо исправлять, тем более, что Россия имеет для этого необходимый интеллектуальный потенциал в лице геодезической и математической наук.
Отчасти из-за недостаточного участия в разработке ГЛОНАССа геодезистов и математиков пользовательский интерфейс, тем более «дружественный», в ГЛОНАССе отсутствует. Для GPS «дружественный» интерфейс формируется с самого начала, он совершенствуется и сейчас, предоставляя свободный доступ пользователям к ресурсам GPS, открытым для гражданского применения и обеспечивающим решение координатных задач с точностями на уровне от 1 мм. В состав пользовательского интерфейса входят официальные документы правительственного уровня, регламентирующие работу ГНСС, технические регламенты, стандарты, форматы данных, другие документы, формализующие и облегчающие работу пользователей с системой. Среди них особо важное значение имеет информация о надежности космического сегмента системы (доступность, целостность). Отличительной чертой пользовательского интерфейса GPS является его высокое техническое исполнение. Все элементы информационного обеспечения координатных задач размещены в глобальной сети Internet, они пополняются или обновляются в оговоренные сроки, их использование в программных продуктах не встречает трудностей. Все это и характеризует пользовательский интерфейс GPS, как «дружественный».

Реализация вышеизложенных пожеланий связана с решением взаимосвязанных технических и организационных проблем и вопросов. Технические проблемы общеизвестны и заключаются в улучшении технических характеристик КА, в т.ч. с доступностью пользователей к сигналам на трех частотах, желательно с кодовым разделением каналов КА, в повышении точности кодовых и фазовых измерений, в разработке современной пользовательской геодезической аппаратуры. Доведение орбитальной группировки ГЛОНАССа до полного состава является конечной целью и относится к организационной стороне дела, но без решения технических вопросов и информационного обеспечения не даст эффекта.
Создать систему информационного обеспечения ГЛОНАССа высокого уровня практически невозможно без участия в работах международных организаций МАС, МСВЗ, IGS. Необходимо с полной серьезностью в рамках этих организаций вступить в кооперацию с разработчиками и пользователями систем GPS и Galileo, участвуя наравне с ними в решении фундаментальных астрономических, геофизических и геодезических задач по изучению планетарных характеристик Земли, созданию небесных и земных систем координат, которые должны быть общими для всех ГНСС, в т.ч. ГЛОНАССа. Принципиальное значение для этого имеет привлечение к проблемам ГЛОНАССа академической (РАН), университетской и ведомственной наук, особенно астрономов, геофизиков, геодезистов и математиков. Они, являясь специалистами решения фундаментальных задач, являются в то же время потенциальными пользователями услуг ГНСС, могут качественно улучшить технический и информационный облик ГЛОНАССа. Это подтверждается опытом GPS, в которой используются все знания о Земле и околоземном пространстве, накопленные собственными силами и особенно международными организациями. Можно сказать, что весь интеллектуальный потенциал мира работает на GPS. В немалой степени благодаря участию ученых и научных центров всего мира, открытости GPS в смысле доступа к информации и удалось создать непревзойденную на сегодня систему эфемеридного обеспечения, технологию решения координатных задач в многочисленных режимах, «дружественный» интерфейс между системой и пользователями. ГЛОНАССу рекомендуется идти этим же путем.

ГНСС технологии, как известно, породили и множество функциональных дополнений. Для точного определения координат (на уровне ошибок от 1 мм до сантиметров) применяются, так называемые, локальные или региональные подсистемы, основанные на работе сетей референцных станций, реализующих режимы постпроцессинга и реального времени. Данные сети оказались настолько эффективными, что большинство развитых стран полностью покрыли подобными сетями свои территории, кардинально улучшив национальные геодезические сети. Референцные станции являются носителями национальных и местных систем координат. В России подобная сеть - Система точного позиционирования (проект «Москва») из 22 референцных станций создана на территории г. Москвы и Московской области. Она обслуживает большинство пользователей геодезической сферы (около 100 государственных и частных предприятий) на территории г.Москвы и Московской области, решая множество координатных задач. Основными из них являются координирование различных объектов в кадастре, строительстве промышленных и гражданских сооружений, дорог, нефте- и газопроводов, ЛЭП. Но она решает и эксклюзивные задачи, в т.ч. определение координат центров фотографирования при аэрофотосъемке местности (с ошибками позиционирования 5 см), определение смещений грунтов (с ошибками 1 мм), определение координат подвижных объектов в кинематическом режиме (с ошибками 5-20 см ), осуществляет метрологические поверки спутниковых приемников и др. При этом производительность работ возрастает по времени от 2.5 до десятков раз, а затраты снижаются в 2.5 и более раз.

Вышеизложенное является доказательством высокой эффективности функциональных дополнений ГНСС. К сожалению, на сегодня эти дополнения, в т.ч. Система точного позиционирования на территории г. Москвы и Московской области, построены на зарубежной технологической и программной базе. Учитывая высокий спрос в России на подобные системы, государственным и частным предприятиям в сферах производства и науки открываются возможности для приложения сил, как в части создания технической и программно технологической базы, так и в части внедрения подобных систем в конкретных регионах.