GLONASS

GLONASS (Глобальная навигационная спутниковая система, tr.: Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma) je globální družicový polohový systém (GNSS) využívaný ruskou armádou. S jeho pomocí je možno určit polohu a přesný čas kdekoliv na Zemi nebo nad Zemí. Stejně jako u GPS je část služeb tohoto systému s omezenou přesností volně k dispozici civilním uživatelům. Vývoj započal v SSSR v roce 1976. Ruské území bylo plně pokryto v roce 2010 a celý svět v roce 2011.^[1]

Model družice systému GLONASS, vystavený na CEBIT 2011

GLONASS je nejdražším programem ruské Státní korporace pro kosmické aktivity Roskosmos. Mezi roky 2002–2011 stál projekt 140 miliardy rublů a v roce 2010 spotřeboval asi jednu třetinu jejího rozpočtu.^[2] Vzhledem k oběžné dráze družic systému GLONASS je zvláště vhodný pro použití ve vysokých zeměpisných šířkách (sever nebo jih), kde může být získávání signálu GPS problematické.^[3]

Vývoj

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. První testovací družice byla vypuštěna v roce 1982. V letech 1996–2001 byla kosmická část systému GLONASS v úpadku. Od roku 2001 bylo prováděno jeho znovuobnovení a do plného celosvětového operačního stavu se dostal v roce 2011.^[1]

V roce 2010 Rusko spolupracovalo při výrobě komponent k systémům GPS a GLONASS s Indií.^[4]

Princip funkce

Související informace naleznete také v článku Globální družicové polohové systémy.

Struktura systému

Systém GLONASS lze rozdělit do 3 segmentů:

• kosmický
• řídící
• uživatelský

Kosmický segment

Počet družic^{[5][6][7][8] [9][10][11][12][13] [14]}

Blok (životnost#)	Období	Vypuštěno	Ve službě	Signály$
Uragan(1)	1982–1985	10	0	3+0
UraganA(1)	1985–1986	6	0	3+0
UraganB(2)	1987–1988	6+6✝	0	3+0
UraganV(3)	1988–2005	59	0[15]	3+0
Uragan-M(7)	2001–2021	46+6✝	21	4+0
Uragan-K1(10)	2011–2022	4+4p	3+1*	4+1
Uragan-K2(10)	2022–2033	0+8p	0	4+5
Uragan-V	2026-2027	V6p	0	0+5
Uragan-KM	2025+	?	0	4+9
Celkem		132+12✝+15p+V6p	24+1*
✝ Ztracen při startu nebo selhalo oživení p V přípravě * Zavádění do provozu, testy nebo v záloze, údržbě V Družice umístěné na eliptickou kvazigeostacionární dráhu $ Frekvenční pásma + kódová modulace # Plánovaná životnost v letech (Poslední změna: 5. srpna 2023)

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

Vývoj počtu zdravých družic GLONASS použitelných pro výpočet polohy.

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 Kazachstánu v sestavách po třech družicích na jeden nosič.

Zásadním problémem původních družic Uragan byla krátká životnost. 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.

Projektovaná konstelace družic na oběžné dráze.

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

Klíčové části družic Uragan-M jsou:

• přesné (<10⁻¹³s)^[16] atomové hodiny s cesiovým oscilátorem
• 12 antén pro vysílání radiových kódů ve frekvenčním 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^[17]
• 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)^[18]

Pro popis stavu kosmického segmentu jsou definovány dva stavy implementace^[19]:

• 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

Segment se skládá z několika částí^[20]:

• 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

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

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

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 jsou především z řad geodetů a vědeckých pracovníků, civilní využívání systému není rozšířené.

Uživatele 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

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 frekvencích, 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)^[21]
• 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^[22]:

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.^[23]

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

Určování polohy a času

Vztažné soustavy

Pro charakteristiku Země se jako vztažné těleso využívá geoid, který je ale pro matematický popis nevhodný. Proto se používá 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^[24]:

• 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 používána ve své přesné hodnotě 299 792 458 m/s.^[25]

IGEX 98

Významnou roli pro spolupráci mezi ostatními 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.