В.В. Бойков («Госземкадастрсъемка» ВИСХАГИ)

7 8 апреля 2008 г. в Москве прошел Международный форум по спутниковой навигации («Навигация 2008»), на котором с докладами выступили разработчики и пользователи услуг глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS и Galileo. Слушатели были проинформированы о состоянии и планах развития ГНСС. Сведения о зарубежных системах (GPS и Galileo) особого удивления не вызвали, так как их развертывание идет планомерно. 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 нумерацией, принятой в России, хотя в интерфейсном документе GPS они обозначаются иначе, например, третья частота имеет наименование L5). Первый серийный спутник Galileo будет запущен в 2009 г. Полное развертывание (до 30 спутников) будет осуществлено в 2014 г. В эти же сроки на блоках GPSIIF и GPSIII будут введены аналогичные сигналы. Информационное обеспечение обеих систем основано на данных международных служб, в том числе Международной службы вращения Земли и референцных систем (МСВЗ) и Международной службы ГНСС (The International GNSS Service IGS). Это позволит создать единое высокоточное координатно-временное обеспечение орбитальных группировок спутников, использовать эфемериды в единых системах координат (ITRF) и времени. Нетрудно догадаться, насколько это важно для разработчиков наземной аппаратуры и пользователей.

Участников форума несколько удивили выступления разработчиков ГЛОНАСС. По информации Роскосмоса и предприятий космической отрасли, орбитальная группировка системы в 2009 г. будет доведена до 24 космических аппаратов и будет состоять из модернизированных КА «ГЛОНАСС-М», а в перспективе «ГЛОНАСС-К». Введены или будут введены открытые навигационные сигналы с частотным разделением каналов в диапазонах L1, L2; начиная с «ГЛОНАСС-К» сигналы в диапазоне L3, а также специализированные сигналы L5 и L1C. Разрабатываются концепция и требования к навигационным сигналам с кодовым разделением каналов.

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

Таблица.Сравнительные характеристики ГНСС

Тем не менее, сомнения в отношении озвученных планов остаются. Накопилось много проблем, требующих решения. Наиболее значимые из них, связанные с формированием полной орбитальной группировки, сроками активного существования спутников, точностными характеристиками, были названы вице-премьером С.Б. Ивановым на заседании коллегии Федерального космического агентства в начале года. Но существуют и другие, не менее важные проблемы, в том числе гражданское применение ГЛОНАСС. О вопросах высокоточного позиционирования, в котором заинтересованы геодезия, строительство, ряд других отраслей хозяйства, автор и хотел бы подискутировать, особенно учитывая, что к разговору на эту тему приглашают руководство Ассоциации «ГЛОНАСС/ГНСС Форум» и РНИИ КП (см. http://gisa.ru/43401.html?searchstring=ГЛОНАСС ).

Гражданское применение ГНСС для геодезического обеспечения всех сфер хозяйственной деятельности, в том числе планирования развития территорий, землеустройства, проведения различных видов съемок, строительства, создания геодезических сетей, изучения планетарных процессов, мониторинга геологической среды и др., можно рассматривать как создание инфраструктуры пространственных данных (ИПД). В целом же область применения технологий ГНСС в геодезии охватывает задачи координирования объектов с точностью от 1 мм.

Хотя разработка систем GPS и ГЛОНАСС началась практически одновременно (70-е годы прошлого века), ориентиром и в определенной степени стандартом для всех разрабатываемых ГНСС (в том числе и ГЛОНАСС) является GPS. Все достижения в области спутниковой навигации и точного позиционирования имеют отношение именно к этой ГНСС. Лидерство GPS основывается не только на раннем старте. С точки зрения пользователей, наиболее существенными являются следующие моменты: GPS и сопутствующая ей инфраструктура наилучшим образом обеспечивают удобное получение детальной информации с высокой скоростью, а также то, что система перманентно совершенствуется. Побудительным мотивом служит конкуренция со стороны других систем, в первую очередь Galileo, тем не менее, это свойство является позитивным.

Если бы разработчики ГЛОНАСС имели аналогичные ориентиры и в ближайшие годы реализовали их, для российских пользователей это стало бы «полным счастьем».

В связи с изложенным, автор приводит свое, может быть и спорное, видение проблем ГЛОНАСС 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 улучшения технических характеристик спутников и наземной инфраструктуры, пользовательской аппаратуры, информационного обеспечения ГНСС. В последнее входит координатно-временное обеспечение, в том числе 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.

Обсуждавшиеся на форуме «Навигация 2008» планы улучшения технических характеристик ГЛОНАСС, ее наземной инфраструктуры отвечают запросам геодезии. Главным в этом плане является совершенствование технологии фазовых измерений. Аппаратная точность единичных фазовых измерений (дробной части) составляет 1 мм и менее. Но ее реализации препятствуют проблемы разрешения неоднозначностей фазовых циклов и учета среды распространения радиосигналов. Введение третьего сигнала на частоте L3 облегчает решение этих проблем. Однако частотное разделение каналов в ГЛОНАСС 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 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 том числе спутниковым, измерениям. В России эту работу может выполнять Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), но для этого требуется провести определенные организационные мероприятия.

Состояние информационного обеспечения ГЛОНАСС и пользователей вызывает пессимизм, ему изначально не уделялось должного внимания, хотя точность и эффективность ГНСС в целом зависят от информационного обеспечения не в меньшей мере, чем от технического. Информационное обеспечение является настолько сложным, многогранным и дорогостоящим процессом, что создать и поддерживать его на приемлемом уровне не под силу одному ведомству и даже государству. Требуется международное сотрудничество. Но в настоящее время участие России в подобном сотрудничестве больше походит на имитацию и, как представляется автору, всерьез не воспринимается участниками проектов GPS и Galileo. Необходимо кардинально перестроить эту работу. Оптимизм внушает то, что наша страна имеет необходимый для этого интеллектуальный потенциал в лице РАН, университетской и ведомственной науки. Понимание необходимости информационного обеспечения присутствует и у руководства проекта ГЛОНАСС, что было озвучено на форуме «Навигация 2008». Важно, чтобы позитивные намерения не остались декларацией.

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 2000 г. практически совмещена с ITRF2000. Для Galileo также будет применяться система ITRF. Для эксплуатации ГЛОНАСС Министерством обороны РФ введена и используется геоцентрическая система ПЗ 90. Вполне понятно, что для интеграции трех ГНСС должна применяться единая отсчетная система, и это должна быть ITRF. У разработчиков ГЛОНАСС 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 постоянно проводятся наблюдения на нескольких сотнях станций МСВЗ и IGS, рассредоточенных по всему миру. При этом используются наиболее современные средства и методы, в том числе искусственные спутники Земли (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, а также параметры Земли как планеты, в том числе гравитационное поле, движение тектонических плит, лунно-солнечные приливы в твердой массе и океанах и др. Станции сетей МСВЗ и IGS с их координатами и собственными движениями с точностью в пределах первых единиц миллиметров закрепляют геоцентрическую отсчетную систему ITRF.

Содержание перечисленных работ диктует необходимость международного сотрудничества. Чтобы в полной мере пользоваться их результатами, России необходимо участвовать в создании информационного обеспечения ГНСС, неся равную долю затрат.

Созданные отсчетные системы и постоянно обновляемые связи между ними служат фундаментом для 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 не превышают 5 см, что для спутников ГЛОНАСС пока недостижимо. Точность определения эфемерид в значительной мере зависит от возможностей измерительных средств, их характеристик, числа и распределения на земной поверхности, уровня учета задержек в ионосфере, тропосфере и аппаратуре, а также от точности учета в моделях движения спутников возмущающих сил. Для ГЛОНАСС необходимо более строго принимать в расчет влияние этих факторов.

Конечные пользователи осуществляют позиционирование по сигналам ГНСС с применением геодезической, как правило двухчастотной, аппаратуры. В России серийное производство спутниковой геодезической аппаратуры практически отсутствует. Иностранные фирмы выпускают совмещенные приемники GPS/ГЛОНАСС на зарубежной электронной базе. Их разработка и производство частично организованы и в России. Понятно, что использование сигналов двух ГНСС дает ощутимый эффект по точности и времени позиционирования. Однако такое совмещение не является равноправным опорной считается GPS, а информация ГЛОНАСС в современных приемниках используется в качестве дополнительной. Это обусловлено разными системами координат и времени; неравноточностью эфемерид; несовпадением числа сигналов, доступных гражданским пользователям; различием схем разделения навигационных сигналов. Равноправное использование потенциалов двух систем будет возможным после устранения этих рассогласований и других, на первый взгляд более мелких (например, межканальные сдвиги), которые снижают потенциальную точность, заложенную в системах. Здесь имеет место и политический аспект. Кроме российских производителей и пользователей, никто кровно не заинтересован в полноправном участии ГЛОНАСС в клубе ГНСС. Актуальность ГЛОНАСС резко снизится, если Galileo по срокам полного развертывания ее опередит.

Еще больший пессимизм вызывает ситуация с созданием технологии координатных определений и программного обеспечения (ПО) для обработки измерений с использованием сигналов ГНСС, реализующего современные достижения в этой области. Качественное ПО, доступное гражданским пользователям и сопоставимое по уровню с исследовательскими программами типа Gamit (Массачусетский университет, США), Bernese (Бернский университет, Швейцария) и Gipsy (Лаборатория реактивного движения, США) или коммерческими программами типа TGO (Trimble Naviganion, США), LGO (Leica Geosystems, Швейцария), Pinnacle (Topcon Corp., Япония) и др., в России отсутствует. Причин много, но следствие одно: как в целом, так и по отдельным составляющим ГЛОНАСС уступает GPS. Правда, из отрывочных сведений можно заключить, что некоторые отечественные предприятия и организации, связанные с космической отраслью, разрабатывают и даже имеют программные продукты, сопоставимые по качеству с лучшими зарубежными исследовательскими программами. Однако они публично не представлены, отсутствуют на рынке и недоступны гражданским пользователям. Приходится российским потребителям инвестировать не в свою, а в 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. При разработке ГЛОНАСС такого сотрудничества не сложилось. Ситуацию необходимо исправлять, более того Россия имеет для этого необходимый интеллектуальный потенциал.

Отчасти из-за недостаточного участия в разработке ГЛОНАСС геодезистов и математиков пользовательский интерфейс, тем более «дружественный», в ГЛОНАСС отсутствует. Для GPS «дружественный» интерфейс создавался с самого начала, в настоящее время он совершенствуется, предоставляя свободный доступ пользователям к ресурсам GPS, открытым для гражданского применения и обеспечивающим решение координатных задач с точностью 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 с системой. Среди них особое 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 сети Интернет, пополняются или обновляются в оговоренные сроки, их использование в программных продуктах не встречает трудностей.

Реализация вышеизложенных пожеланий в адрес ГЛОНАСС связана с решением взаимосвязанных технических и организационных проблем и вопросов. Необходимы улучшение технических характеристик КА, обеспечение доступа пользователей к сигналам на трех частотах, желательно с кодовым разделением каналов, повышение точности кодовых и фазовых измерений, разработка современной пользовательской геодезической аппаратуры. Доведение орбитальной группировки ГЛОНАСС до полного состава относится к организационной стороне дела, но без решения технических вопросов и вопросов информационного обеспечения не даст эффекта.

Создать систему информационного обеспечения ГЛОНАСС высокого уровня практически невозможно без участия в деятельности международных организаций МАС, МСВЗ, IGS. Необходимо с полной серьезностью в рамках этих организаций вступить в кооперацию с разработчиками и пользователями 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 том числе ГЛОНАСС. Принципиальное значение для этого имеет привлечение к проблемам ГЛОНАСС академического (РАН), университетского и ведомственного потенциалов, особенно астрономов, геофизиков, геодезистов и математиков. Они, будучи специалистами в решении фундаментальных задач, одновременно являются потенциальными пользователями услуг ГНСС, могут качественно улучшить технический и информационный облик ГЛОНАСС. Это подтверждается опытом GPS, для поддержания функционирования которой используются знания о Земле и околоземном пространстве, накопленные национальной наукой и 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 пока систему эфемеридного обеспечения, технологию решения координатных задач в различных режимах, «дружественный» интерфейс между системой и пользователями. ГЛОНАСС рекомендуется идти этим же путем.

Как известно, технологии ГНСС породили много функциональных дополнений. Для точного определения координат (точность на уровне от 1 мм до нескольких сантиметров) применяются так называемые локальные или региональные подсистемы, основанные на работе сетей референцных станций, реализующих режимы постпроцессинга и реального времени. Сети референцных станций оказались настолько эффективными, что большинство развитых стран полностью обеспечили ими 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 Москвы и Московской области. Она обслуживает большинство региональных пользователей геодезической сферы деятельности (около 100 государственных и частных предприятий), позволяя решать разнообразные координатные задачи. Основной из них является координирование объектов кадастра и строительства (промышленные и гражданские сооружения), дорог, нефте- и газопроводов, ЛЭП. С помощью Системы точного позиционирования можно решать и эксклюзивные задачи, в том числе определять координаты центров фотографирования при аэрофотосъемке местности (точность позиционирования 5 см), смещение грунтов (1 мм), координаты подвижных объектов в кинематическом режиме (5 20 см), осуществлять метрологические поверки спутниковых приемников и др. При этом производительность работ может вырасти в десятки раз, а затраты снизиться больше чем в 2,5 раза.

Все это является доказательством высокой эффективности функциональных дополнений ГНСС. К сожалению, в настоящее время эти дополнения, в том числе Система точного позиционирования на территории Москвы и Московской области, построены с использованием зарубежной технологической и программной базы. Учитывая высокий спрос на подобные системы, государственным и частным предприятиям России, действующим в сферах науки и производства, открывается возможность для приложения сил как в части создания технической и программно-технологической базы, так и в части внедрения подобных систем в конкретных регионах.