Systém GLONASS

GLONASS (GLObalnaja NAvigacionnaja Sputnikovaja Sistema) je ruský (původně sovětský) globální satelitní navigační systém, jehož vývoj započal v sedmdesátých letech. Projekt navazoval na předchozí navigační systém Tsiklon vyvíjený od roku 1967. První družice systému byla na oběžnou dráhu vypuštěna v roce 1982. Ačkoliv bylo na krátkou dobu plného operačního stavu dosaženo již v roce 1995, vzhledem ke krátké životnosti satelitů (od jednoho do tří let) a nedostatku finančních prostředků poté došlo k postupnému poklesu počtu aktivních satelitů. Minimální počet satelitů nutných pro dosažení plné operační dostupnosti je u systému GLONASS 24, stejně jako v případě amerického systému GPS.

V roce 2001 se systém dostal do stavu, kdy bylo na oběžné dráze pouze šest družic v operačním stavu.

Na přelomu tisíciletí byl představen plán na znovuobnovení systému. Plného operačního stavu se opět podařilo dosáhnout koncem roku 2011. V současné době (říjen 2012) je na oběžné dráze umístěno 31 satelitů, z nichž je však pouze 24 aktivních, tři jsou v údržbě, tři jako záloha a jeden ve stavu letových testů. Za celou dobu fungování systému bylo na oběžnou dráhu vypuštěno přes 130 satelitů systému GLONASS. Podobně jako na straně USA v případě systému GPS se o vývoj, údržbu a provoz systému GLONASS stará armáda.

Jedním z hlavních rozdílů mezi systémy GPS a GLONASS je způsob vícenásobného přístupu. Systém GPS používá pro rozlišení signálu jednotlivých družic mezi sebou kódový multiplex CDMA. Každá družice tak vysílá na stejné frekvenci, ale vzájemně se liší použitým kódem pro modulaci. Oproti tomu systém GLONASS používá frekvenční multiplex FDMA. Díky použití tohoto multiplexu vysílá každá družice stejnou zprávu avšak na jiné frekvenci, než družice sousední.

4.1 Kosmický segment GLONASS

Kosmický segment systému GLONASS byl, až do rozpadu Sovětského svazu,v postaven na družicích GLONASS označovaných také jako URAGAN (družice první generace). Charakteristická, pro družice první generace, byla jejich nízká životnost. Systém dosáhl FOC v roce 1996, kdy byl jeho kosmický segment obsazen 24 družicemi GLONASS. Družice vysílaly jeden civilní navigační signál na frekvenci L1 a dva totožné vojenské signály na frekvenci L1 a L2 v rámci služby HP (RIOSDE, 2008).

Po rychlém úpadku kosmického segmentu GLONASS v letech 1996 – 2001, byly, od roku 2006, do znovu budované konstelace družic vypouštěny modernizované družice GLONASS-M označované jako URAGAN-M (druhá generace). Tyto družice měly vyplnit mezidobí k přechodu na družice třetí generace s názvem GLONASS-K. Družice GLONASS-M přinesly zlepšení ve zvýšení přesnosti atomových hodin družic, v delší životnosti družic, v signálech a navigační zprávě.

Satelity jsou rozmístěny na třech oběžných drahách se sklonem 64,8 stupně ve výšce okolo 19 100 km nad Zemí. Dráhy jsou vzájemně posunuty o úhel 120 stupňů a na každé oběžné dráze musí být pro zajištění plné operační dostupnosti umístěno 8 satelitů. Satelity jsou na každé oběžné dráze rozloženy symetricky po 45 stupních. Protože jsou družice systému GLONASS rozmístěny na nižších oběžných drahách než družice GPS, trvá jim jeden oběh Země kratší dobu – 11 hodin a 15 minut. Rychlost družic je 3,9 km/s. Rozmístění družic a rychlosti jejich pohybů zajišťují, že po každých osmi siderických dnech (23 hodin a 56 minut) jsou všechny družice vždy nad stejným místem.

Každá družice nese ve svých útrobách atomové hodiny s cesiovým oscilátorem s přesností větší než 10^-13 s. Dále 12 antén pro vysílání navigačního signálu a antény pro komunikaci s pozemními kontrolními a řídícími stanicemi. K napájení jsou použity solární panely a akumulátorové baterie. Pro měření polohy družice pomocí laserových měřidel je součástí výbavy i odrazové pole.

Stejně jako v případě družic systému GPS je hlavním úkolem vesmírného segmentu poskytovat informace o poloze satelitů pro uživatelský segment. Na základě charakteristik signálu změněných během cesty ze satelitu a na základě informací poskytovaných satelity je možné určit přesnou polohu.

4.2 Řídicí segment systému GLONASS

Řídicí segment systému GLONASS se stará o kontrolu a sledování stavu, polohy a zrychlení družic, zasílá družicím informace potřebné pro navigaci, provádí manévry a seřizuje atomové hodiny. Výsledek sledování a predikce pohybu každé družice je společně s polohou ostatních družic, frekvencí, kterou dané družice používají a informacemi o jejich stavu posílán jednotlivým družicím a je dále poskytován prostřednictvím navigační zprávy uživatelskému sektoru. Platnost informací v navigační zprávě se pohybuje řádově v jednotkách hodin.

Síť pozemních monitorovacích a řídicích stanic se nachází téměř výhradně na území Ruské federace. Z toho důvodu je možnost monitorování vesmírného sektoru omezena například v porovnání s konkurenčním systémem GPS.

Řídicí středisko celého systému je umístěno ve městě Krasnoznamensk poblížvMoskvy. Tři rozšířené stanice jsou umístěny ve městech Šelkovo, Jenisejsk a Komsomolsk na Amuru. Tyto tři stanice plní zároveň funkce povelových a monitorovacích stanic. Samostatné povelové stanice jsou v Petrohradě a Ussurijsku. Samostatné monitorovací stanice se nacházejí ve městech v Murmansk, Vorkuta, Jakutsk, Ulan-Ude, Nurek (Tádžikistán) a Zelenčuk.

4.3 Uživatelský segment

Uživatelský segment je stejně jako v případě systému GPS tvořen pasivními přijímači signálu z družic systému GLONASS. Oproti přijímači GPS je přijímač GLONASS konstrukčně složitější. Pro určení polohy nemůže přijímat pouze jednu frekvenci, ale z důvodu rozlišení jednotlivých družic mezi sebou pomocí frekvenčního multiplexu je nutné, aby byl přijímač GLONASS schopen zpracovávat signály na rozdílných frekvencích.

Rozšíření přijímačů GLONASS v porovnání s přijímači GPS je v současné době zanedbatelné především z toho důvodu, že v plné operační dostupnosti je systém GLONASS poměrně krátkou dobu. Místo samostatných GLONASS přijímačů se většina velkých výrobců navigačních zařízení a čipů soustředí spíše na výrobu kombinovaných GPS/GLONASS přijímačů, které spojují výhody obou systémů. Při použití kombinovaného GPS/GLONASS přijímače je tak v každou chvíli nad obzorem vidět průměrně dvojnásobný počet satelitů než v případě použití pouze jednoho systému. Díky tomu je možné určit svoji polohu přesněji.

Určování polohy pomocí systému GLONASS probíhá stejně jako v případě GPS na základě zpráv z družic o jejich poloze a časových značek v signálu. Pro určení zeměpisné výšky a šířky, nadmořské výšky a přesného času je třeba přijímat signál v dostatečné kvalitě alespoň od čtyř satelitů nad obzorem.

Uživatelský segment je možné rozdělit podle úrovně přesnosti na dvě skupiny:

• Standardní přesnost (SP – Standard Precision) pro neautorizované uživatele a pro civilní účely. Přesnost se pohybuje řádově v metrech.

• Vysoká přesnost (HP – High Presision) dostupná pouze autorizovaným uživatelům, jako například Ruské armádě a vysokým vládním institucím Ruské federace. Signál, na základě kterého je možné využít vyšší úroveň přesnosti je zašifrovaný. Přesnost je zvýšena oproti standardní přesnosti na hodnoty v řádech desítek centimetrů.