Спутниковые группировки GNSS: сравнение GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou

Что такое спутниковые группировки GNSS?

Группировки GNSS — группы спутников, образующие каждую глобальную навигационную спутниковую систему. Система GNSS — полный комплекс: спутники, наземный сегмент управления, контролирующий и обновляющий их, и спецификация сигналов, по которой приёмники вычисляют положение, навигацию и время (PNT).

Сегодня глобальное покрытие дают четыре группировки: GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou. Ещё две, QZSS и NavIC, обслуживают отдельные регионы, а спутниковые системы функционального дополнения (SBAS) добавляют поправки и сведения о целостности. GPS часто называют всё вместе, но это лишь система США; терминологию объясняет статья GNSS и GPS. Здесь сравниваются сами группировки.

Каждый спутник передаёт орбиту (эфемериды) и точное время часов. Приёмник измеряет время прохождения сигналов минимум от четырёх спутников, чтобы найти три координаты и ошибку собственных часов.

Как соотносятся GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou?

Четыре глобальные группировки различаются главным образом высотой орбит, числом орбитальных плоскостей, сигналами и оператором, но дают сходную автономную точность в несколько метров.

Базовая группировка GPS имеет 24 орбитальные позиции, а в работе обычно около 30 спутников. GLONASS рассчитана на 24 спутника, Galileo — на 24 и активный резерв, BeiDou-3 использует 24 среднеорбитальных спутника плюс наклонные геосинхронные (IGSO) и геостационарные (GEO), усиливающие покрытие Азиатско-Тихоокеанского региона. Точное число меняется с запусками и выводом из эксплуатации; актуальные данные проверяйте на страницах состояния операторов.

Что такое GPS и когда её создали?

GPS (Global Positioning System) — система спутникового позиционирования правительства США, управляемая Космическими силами США; разработка началась в 1973 году, первый спутник запущен в 1978-м, полная эксплуатационная готовность объявлена в 1995-м.

Для геодезистов важны два этапа. В мае 2000 года США отключили избирательный доступ — преднамеренное ухудшение гражданской точности, — и автономная точность приёмников начала 2000-х резко улучшилась примерно со 100 m до 10 m. Позднее добавили модернизированные гражданские сигналы L2C и L5, а спутники GPS III передают новый L1C, совместимый с Galileo.

Сегодня GPS применяется далеко за пределами навигации: в геодезии, наведении машин, точном земледелии, синхронизации сетей связи и энергетики, науке. Официальный информационный сайт правительства США — gps.gov. Подробности сигналов см. в руководстве по частотам GPS L1, L2 и L5.

Что такое система GLONASS?

GLONASS — российская глобальная спутниковая навигационная система, рассчитанная на 24 спутника в трёх орбитальных плоскостях на высоте около 19100 km с наклонением 64.8°.

Большее наклонение даёт спутникам GLONASS лучшую геометрию в высоких широтах, поэтому система особенно полезна в Скандинавии, Канаде и самой России. Полного состава группировка достигла в 1995 году, сократилась в следующем десятилетии и восстановила полное глобальное покрытие в 2011-м.

Главное техническое отличие — структура сигналов. Традиционные спутники GLONASS используют частотное разделение (FDMA): каждый передаёт на немного отличающейся частоте около 1602 MHz (L1) и 1246 MHz (L2). Это создаёт межканальные смещения, которые RTK-алгоритм должен учитывать, особенно для базы и ровера разных производителей. Более новые спутники также передают сигналы с кодовым разделением (CDMA), например L3OC около 1202 MHz, близкие по структуре к другим системам.

Автономная точность GPS и GLONASS в целом сходна. Для геодезистов ценность спутников GLONASS — дополнительная геометрия, а не иной класс точности.

Что такое навигационная система Galileo?

Galileo — гражданская глобальная спутниковая навигационная система Европейского союза со спутниками в трёх плоскостях на высоте около 23200 km и наклонением 56°. Её иногда называют европейской GPS или системой Galileo GPS, но она независима и имеет собственные спутники, наземный сегмент и шкалу времени.

Проект Galileo возглавляла Европейская комиссия, а Европейское космическое агентство (ESA) отвечало за разработку и закупки; теперь предоставлением услуг управляет Агентство ЕС по космической программе (EUSPA), публикующее состояние на euspa.europa.eu. Начальные услуги Galileo запущены в декабре 2016 года.

Основные особенности Galileo для профессиональных пользователей:

• Четыре диапазона сигналов: E1 (1575.42 MHz, общий с GPS L1), E5a (1176.45 MHz, общий с GPS L5), E5b (1207.14 MHz) и E6 (1278.75 MHz). E5a и E5b вместе образуют широкополосный E5 AltBOC с низким шумом и высокой устойчивостью к многолучёвости.
• Служба высокой точности (HAS): бесплатные точные поправки орбит и часов на E6 и через интернет; начальный сервис объявлен в 2023 году, целевой уровень плановой точности — дециметровый.
• Точные часы: пассивный водородный мазер и рубидиевые часы на каждом спутнике.

При сравнении Galileo и GPS сигналы Galileo современны с самого начала, тогда как GPS ещё заменяет старые спутники. Для геодезической бригады практическая польза Galileo — просто больше качественных спутников в поле зрения.

Что такое BeiDou и как она соотносится с GPS?

BeiDou (BDS) — китайская глобальная спутниковая навигационная система; её третье поколение BDS-3 начало глобальное обслуживание в 2020 году и сочетает среднеорбитальные спутники с IGSO и GEO.

Спутники GEO и IGSO остаются над Азией и западной частью Тихого океана, поэтому BeiDou часто даёт наибольшее число видимых спутников в этом регионе. В других местах она добавляет свои глобальные спутники MEO. BDS-3 передаёт прежние B1I и B3I, а также новые B1C (1575.42 MHz) и B2a (1176.45 MHz), имеющие общие центральные частоты с GPS L1 и L5. BeiDou также предлагает отсутствующие у других услуги: обмен короткими сообщениями и поправки точного позиционирования PPP-B2b в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Автономная точность BeiDou и GPS сходна по всему миру. Покупателю важно не выбрать одну из них, а проверить поддержку обеих: совместные GPS и BeiDou дают в Восточной Азии гораздо лучшую геометрию, чем каждая отдельно.

Какие региональные системы и дополнения расширяют GNSS?

Помимо четырёх глобальных систем, региональные группировки и SBAS повышают доступность и точность в отдельных районах.

Полнодиапазонный приёмник может использовать все эти системы. Например, наша интеллектуальная антенна S20 для техники поддерживает GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS, NavIC и SBAS.

Почему многосистемные GNSS-приёмники важны для геодезии?

Большее число спутников с разных направлений даёт более быструю RTK-инициализацию, надёжную фиксацию и пригодные результаты там, где приёмник только GPS не справляется.

Под открытым небом GPS-приёмник обычно видит около 8–12 спутников. Со всеми четырьмя глобальными системами геодезические GNSS-приёмники регулярно отслеживают 30–40 и более. Наши инженеры особенно замечают разницу в четырёх ситуациях:

• Городские каньоны и углы зданий, где закрыта половина неба.
• Древесный покров и края полей, где сигналы ослаблены и отражаются.
• Карьеры и долины, где низкие спутники закрыты рельефом.
• Длительные рабочие дни, когда у одной системы бывают периоды слабой геометрии.

Дополнительные спутники не заменяют поправки. Автономный многосистемный GNSS по-прежнему имеет метровую точность; для сантиметров нужны RTK, сетевой RTK через NTRIP или постобработка, как объясняет руководство по NTRIP и CORS. Многосистемность полезна и другим пользователям: GNSS для автомобильных ADAS, дронов и приёмников времени получает лучшую доступность за счёт дополнительных спутников.

Как выбрать GNSS-приёмник и антенну для всех группировок

Выбирайте приёмник и антенну, отслеживающие все четыре глобальные системы минимум в двух, лучше трёх диапазонах, и убедитесь, что RTK-алгоритм действительно использует каждую систему в решении.

1. Проверьте системы и сигналы. Ищите GPS, GLONASS, Galileo и BeiDou с современными L5, E5a/E5b и B2a, а не только L1/L2.
2. Проверьте антенну. Базовым станциям и CORS нужна полнодиапазонная антенна со стабильным фазовым центром и хорошим подавлением многолучёвости.
3. Проверьте форматы поправок. База или сеть должны передавать многосистемные сообщения RTCM 3 MSM, иначе ровер не сможет использовать все спутники.
4. Испытайте в рабочих условиях. Сравнивайте время и долю фиксации под деревьями или возле зданий, а не только на открытой парковке.

Наш GNSS RTK приёмник E1 имеет 1408-канальный многосистемный модуль и работает как база, радиоровер или сетевой ровер. Для стационарных баз геодезическая GNSS-антенна SA102 принимает GPS, BDS, GLONASS, Galileo, QZSS, SBAS и L-диапазон, включая Galileo E1, E5a, E5b и AltBOC. В зоне CORS бригады могут использовать сетевой RTK ровер Mini массой 409 g с тем же 1408-канальным модулем. Другие критерии приведены в руководстве по покупке GNSS RTK приёмника; можно запросить цену полного комплекта.

Часто задаваемые вопросы