GLONASS

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Model družice systému GLONASS, vystavený na CEBIT 2011

GLONASS (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, tr.: Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma) je globální družicový polohový systém (GNSS) vyvinutý v SSSR a nyní provozovaný ruskou armádou. S jeho pomocí je možno určit polohu a přesný čas kdekoliv na Zemi nebo nad Zemí. Část služeb tohoto systému s omezenou přesností je volně k dispozici i civilním uživatelům. Je obdobou amerického vojenského GNSS GPS a je po něm druhým nejpoužívanějším polohovým systémem v mobilních telefonech.[1]

Vývoj[editovat | editovat zdroj]

Vývoj GLONASS byl zahájen v roce 1970 vytvořením dokumentu Ministerstva obrany SSSR, Sovětské akademie věd a Sovětského námořnictva o vývoji jednotného systému pro navigaci na zemi, na vodě i ve vzduchu, který byl v roce 1976 přijat a první testovací družice byla vypuštěna v roce 1982. V letech 1996-2001 byla kosmická část systému GLONASS v úpadku. Od roku 2001 (do 2012) je prováděno jeho znovuobnovení do plného operačního stavu.

V současnosti (březen 2010) Rusko spolupracuje při použití tohoto systému s Indií[2] a hodlá zavést zákaz dovozu mobilních telefonů nekompatibilních s tímto systémem.[3]

Princip funkce[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku Globální družicové polohové systémy.

Struktura systému[editovat | editovat zdroj]

Celý systém GLONASS lze rozdělit do 3 segmentů:

  • kosmický
  • řídící
  • uživatelský

Kosmický segment[editovat | editovat zdroj]

Počet družic[4][5][6][7][8][9][10][11]
Blok (životnost) Období Vypuštěno Ve službě
Uragan(1) 1982–1985 10 0
UraganA(1) 1985–1986 6 0
UraganB(2) 1987–1988 6+61 0
UraganV(3) 1988–2005 59 0[12]
Uragan-M(7) 2001–2013 34+61 24+53
Uragan-K1(10) 2011–2013 1+12 13
Uragan-K2(10) 2014–2015 22+? 0
Uragan-KM(?) 2015+ ? 0
Celkem 119+121+52 24+43
1Ztracen při startu nebo selhalo oživení
2V přípravě.
3Zavádění do provozu nebo v záloze, údržbě
(Poslední změna: 5. července 2013)
Projektovaná konstelace družic na oběžné dráze.

Kosmický segment je projektován na 24 družic, které obíhají ve výšce 19 100 km nad povrchem Země na 3 kruhových drahách se sklonem 65°. Dráhy jsou vzájemně posunuty o 120° a na každé dráze je 8 symetrických pozic pro družice po 45°, které jsou číslovány:

  • Dráha 1: družice 1-8
  • Dráha 2: družice 9-16
  • Dráha 3: družice 17-24

Tato konstelace je charakteristická tím, že každých 8 siderických dní je družice nad stejným místem na zemi, nebo také že každý siderický den je jedna z 8 družic jedné dráhy nad stejným místem na zemi.

Družice

Dnes používané družice Uragan-M váží asi 1,4 tuny a na střední oběžné dráze (MEO, Medium Earth Orbit) se pohybuje rychlostí 3,9 km/s, s dobou oběhu kolem Země 11h 15min. Vynášeny jsou z kosmodromu Bajkonur v sestavách po třech družicích na jeden nosič. Zásadní problém družic Uragan byla krátká životnost, což se projevovalo ve zvýšené potřebě obnovovat družice. U družic Uragan/Uragan-M vyžaduje zvýšená poruchovost dlouhotrvající odstávky dlouhé až několik měsíců. Tyto problémy by měly vyřešit nové nehermetizované družice Uragan-K s poloviční hmotností.

Družice GLONASS, dnes již nepoužívané série Uragan. (fotografie NASA)

Klíčové části družic Uragan-M jsou:

  • přesné (<10-13s)[13] atomové hodiny s cesiovým oscilátorem
  • 12 antén pro vysílání radiových kódů v pásmu L (2000-1000 MHz)
  • antény pro komunikaci s pozemními kontrolními stanicemi
  • solární panely (1,45 kW) a akumulátorové baterie (70 Ah) jako zdroj energie [14]
  • odrazové pole pro měření polohy družice laserovými měřidly (SLR). Některá měření mimo kontrolní segment byla provedena i v rámci projektu NASA ILRS (International Laser Ranging Service)[15]

Pro popis stavu kosmického segmentu jsou definovány dva stavy implementace[16]:

  • plná operační schopnost (FOC, Full Operational Capability) - označení stavu, kdy je nejméně 24 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Nebyl nikdy vyhlášen, ale koncem roku 1996 bylo krátce na orbitu 24 družic a od té doby klesal až na 9 v roce 2001. Opětovný stav 24 družic je plánován na rok 2012 s družicemi Uragan-M a Uragan-K.
  • částečná operační schopnost (IOC, Initial Operational Capability) - označení stavu, kdy je nejméně 12 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Byl vyhlášen prezidentem Ruské Federace 29. září 1993 po vypuštění a zprovoznění 12 družic.

Řídící a kontrolní segment[editovat | editovat zdroj]

Segment se skládá z několika částí[17]:

  • řídicí středisko (SCC, System Control Center) Krasnoznamensk (SCC, MS)
  • 3 rozšířené stanice (SLR, Satellite Laser Ranging; ULS, Uplink Station; CC, Control Center) Šelkovo (MS, TT&C, ULS, CC, SLR), Jenisejsk (MS, TT&C, ULS), Komsomolsk na Amuru (MS, TT&C, ULS, CC, SLR)
  • 5 povelových stanic (TT&C; Telemetry, Tracking and Command/Communication; telemetrie, sledování a povely) Petrohrad, Ussurijsk a výše uvedené Šelkovo, Jenisejsk, Komsomolsk na Amuru
  • 10 monitorovacích stanic (MS, Monitor Station) Murmansk, Vorkuta, Jakutsk, Ulan-Ude, Nurek (Tádžikistán), Zelenčuk a výše uvedené Krasnoznamesk, Šelkovo, Jenisejsk, Komsomolsk na Amuru

Řídící a kontrolní segment monitoruje kosmický segment, zasílá povely družicím, provádí jejich manévry a údržbu atomových hodin. Výsledek jejich monitoringu je zveřejňován v navigační zprávě každé družice a jejich platnost je řádově několik hodin:

  • pozice (souřadnice ECEF), rychlost a zrychlení družic
  • korekce atomových hodin
  • přibližné pozice ostatních družic, používané frekvence a jejich zdravotní stav

Pozemní segment se téměř celý nachází na území Ruské federace, z čehož vyplývá časové omezení, kdy může být monitorován vesmírný segment. Řídící a kontrolní segment komunikuje s uživateli také prostřednictvím zpráv NAGU (Notice Advisory to GLONASS Users), kde zveřejňuje plánované odstávky družic, jejich stažení a uvedení do provozu nebo i zpětně informace o nezdravé družici.

Uživatelský segment[editovat | editovat zdroj]

Vojenský ruční kombinovaný přijímač GLONASS/GPS vyžívající metod kódového měření.

Uživatelé pomocí GLONASS přijímače přijímají signály z jednotlivých družic které jsou v danou chvíli nad obzorem. Na základě přijatých dat (časových značek z jednotlivých družic a znalosti jejich polohy) a předem definovaných parametrů, přijímač vypočítá polohu antény, nadmořskou výšku a zobrazí přesné datum a čas. Komunikace probíhá pouze od družic k uživateli, přijímač je tedy pasivní.

Uživatelé v Evropě se rekrutují především z řad geodetů a vědeckých pracovníků, civilní využívání systému není rozšířené.

Uživatelé využívající systém GLONASS můžeme rozdělit do dvou skupin:

  • autorizovaní uživatelé (vojenský sektor Ruské federace a vybrané vládní instituce) využívající službu High Positioning (HP). Tito uživatelé mají zaručenou vyšší přesnost systému.
  • ostatní uživatelé (především civilní sektor) mohou využívat Standard Positioning (SP)

Prezident Ruské federace Vladimir Putin oficiálně podepsal 18. května 2007 výnos o bezplatném uvolnění systému GLONASS pro nevojenské použití.

Rádiové signály[editovat | editovat zdroj]

Postup modernizace družic
Pásmo/signály Blok družic
L1/HP+SP, L2/HP Uragan
L1/HP+SP, L2/HP+SP Uragan-M
L1/HP+SP, L2/HP+SP,
L3/HP+SP, L1/CR, L5/R
Uragan-K
Uragan-KM

Přenos dat z více družic k jednotlivým uživatelům je řešen frekvenční modulací (FDMA), která je pro GNSS netypická. Přináší problémy s interferencemi mezi kanály, vyžaduje rezervované širší vysílací pásmo a jinou konstrukci přijímače. Družice vysílají na několika kmitočtech, které jsou zvoleny v pásmech s minimálním vlivem meteorologických vlivů:

  • L1PT (1598-1605 MHz), kde je vysílán HP kód a SP kód, vysílací výkon 64 W.
  • L2PT (1242-1248 MHz), kde je vysílán HP kód a od Uragan-M také SP kód, vysílací výkon 40 W.

Pro družice Uragan-K a Uragan-MK dále navíc:

  • L3PT (1197-1217 MHz) je plánovaná třetí frekvence s HP a SP kódem
  • L5R (1176,45 MHz) je plánovaný signál typu Safety of Life modulací založený na CDMA pro interoperabilitu s jinými GNSS (GPS, Galileo) [18]
  • L1CR (1575,42 MHz) je další civilní signál modulací založený na CDMA pro interoperabilitu s jinými GNSS (GPS, Galileo)

Dvacet kanálů pro každou frekvenci modulovanou pomocí FDMA jsou definovány[19]:

  1. L1(n) = 1 602,0 MHz + n×0,56250 MHz
  2. L2(n) = 1 246,0 MHz + n×0,43750 MHz (platí L2 = L1 × 7/9)
  3. L3(n) = 1 201,5 MHz + n×0,42195 MHz (platí L3 = L1 × 3/4)

Do roku 1998 se užíval rozsah kanálů „n“ = 1 až 12 a 22 až 24, od 1998 do 2005 n = 1 až 12 a od roku 2005 n= -7 až 6.

Základní vysílací rychlost je 5,11 MHz, na něž jsou modulovány signály:

  • SP rychlostí 0,511 MHz s délkou kódu 511 bitů.
  • HP rychlostí 5,11 MHz s délkou kódu 5,11×106 bitů.
  • navigační zpráva modulovaná navíc rychlostí 50 bitů/s při délce 7500 bitů, jejíž odvysílání trvá 2,5 minuty. Je rozdělena na 5 rámců o 15 slovech, každé slovo má kapacitu 100 bitů. Obsahem zprávy jsou kartézské souřadnice družice, její rychlost a zrychlení, almanach družic s příslušnými kanály, korekce palubních hodin. Životnost zprávy je cca hodina, její pravidelné obnovení je provedeno kontrolním střediskem obvykle po 30 minutách.[20]

Jako referenční čas je používán UTC(SU), který je synchronizován s UTC.

Určování polohy a času[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku Globální družicové polohové systémy.

Vztažné soustavy[editovat | editovat zdroj]

Pro charakteristiku Země se jako vztažné těleso využívá geoid, který je ale pro matematický popis nevhodný. Proto používáme jeho aproximaci prvního stupně - koule, nebo druhého stupně - elipsoid. Pro potřeby uživatelů GLONASS je používaný geografický referenční systém PZ 90, od 20. září 2007 pak jeho modifikace PZ 90.02. Je podobný referenčnímu ITRF2000 s drobnými změnami v řádech decimetrů. PZ 90 se skládá z[21]:

  • geodetického data: elipsoid s poloosami přibližně 6 378 a 6 356 km s počátkem ve středu Země
  • systému zeměpisných souřadnic (zeměpisná šířka a délka)

Rychlost světla je definována 299 792 458 m/s.[22]

IGEX 98[editovat | editovat zdroj]

Významnou roli pro spolupráci mezi GNSS a využití GLONASSu na západě sehrál projekt IGEX 98 (International GLONASS Experiment 1998), který umožnil experimentálně najít exaktní vztah mezi používanými vztažnými soustavami v projektech GPS a GLONASS.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. GLONASS: the Future For All Smartphones
  2. Russia, India may jointly make Glonass, GPS navigation devices
  3. Rusko hrozí zákazem dovozu mobilů nekompatibilních s navigačním systémem GLONASS
  4. GLONASS Constellation Status [online]. UNB Geodesy and Geomatics Engineering, 20080324. Dostupné online.  
  5. GLONASS constellation status. Russian Space Agency. 5. červen 2008
  6. Lindborg Ch.:GLONASS. 2007
  7. Gunter Dirk Krebs: Uragan (GLONASS, 11F654). 22. květen 2008
  8. Česká akademie věd: Space 40, Velký katalog družic a kosmických sond. 2008
  9. Astronautix: Glonass. 2008
  10. Richard B. Langley: GLONASS Update Delves into Constellation Details in GPS World, 22. září 2010
  11. Glonass update GSIC 2011 meeting, 20 september 2011
  12. Claude Lafleur: Spacecrafts launched in 2004 in Spacecraft encyklopedia, 2004
  13. Sergey G. Revnivykh: GLONASS Status and Progress. Federal Space Agency. 24. září 2007
  14. Vítek A.:2007-065B - Kosmos 2435. ČAS. 2007
  15. NASA/ILRS: GLONASS-95 Satellite Information
  16. Glotov, V. D.: GLONASS Status: ILRS support for GLONASS. Russian Mission Control Center. 2. říjen 2005
  17. Sergey G. Revnivykh. GLONASS Status, Development and Application [online]. Federal Space Agency, 2007-9-4. Dostupné online. (anglicky) 
  18. Langley R.:Civil GPS Service Interface Committee (CGSIC) Meeting - Day 2, ION 2007. GPS World. 26. září 2007
  19. Sergey G. Revnivykh: Developments of the GLONASS system and GLONASS Service strana 12, in UN/US GNSS International Meeting, 17. prosinec 2004.
  20. Novatel: GLONASS Overview, 24. duben 2007
  21. Sergey Revnivykh: GLONASS Update, PNT Information Navigation Center, The Russian Federation. 15. září 2008
  22. GLONASS Interface Control Document verze 5.0, Moskva 2002

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]

  • GPS – Americký navigační systém.
  • Galileo – Evropský satelitní navigační systém, alternativa k GPS.
  • Geocaching

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]