Глобальные навигационные спутниковые системы ГЛОНАСС и GPS предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. Американская GPS и отечественная ГЛОНАСС концептуально аналогичны и отличаются некоторыми аспектами технической реализации. В их основе – орбитальные группировки спутников на круговых орбитах. Высота орбит такова, что спутники совершают примерно два оборота вокруг Земли в сутки (у GPS – высота орбиты 20150 км и период обращения 11 часов 57 минут, у ГЛОНАСС – 19100 км и 11 часов 16 минут соответственно).

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно «покрывающих» всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

Спутники распределены по нескольким орбитальным плоскостям – в ГЛОНАСС их три, в GPS – шесть. В обеих системах в полной конфигурации действуют 24 спутника плюс 3 резервных. Пользовательские приемники позволяют определить местоположение, регистрируя излучаемые видимыми в данной точке спутниками сигналы. Обе системы фактически дают возможность определять не только координаты, но и время с высокой точностью.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность «спутник-приемник» (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ.

Очевидно, при таком методе точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10^-13 - 10^-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому «системному времени».

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или «псевдодальность». Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X, Y и H, но и поправка часов приемника t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников.

В состав систем входят:

·                    созвездие ИСЗ (космический сегмент);

·                    сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

·                    собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (таблицы). Данные системы разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS на средних.

Недостатками ГЛОНАСС являются:

·                    необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе, как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии;

·                    при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25-30м, а в дифференциальном режиме – превышают 10 м;

·                    при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;

·                    сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.

Недостатки GPS:

·                    Во-первых, такое понятие как геометрия спутников, которая сильно влияет на точность данных. Для того чтобы данные отличались достоверностью, необходимо, чтобы спутники располагались не на одной линии, а в разных сторонах горизонта – юг, запад, север, восток.

·                    Во-вторых, система GPS подвержена специфическим ошибкам при прохождении сигнала. Явление это называется многолучевой интерференцией, т.е. складки рельефа и прочие препятствия влияют на прохождение сигнала. В естественных условиях за препятствие сойдет гора, в городе - высокие здания. Чем дольше задерживается сигнал, тем большая погрешность образуется, поскольку приемник принимает создавшуюся «виртуальную удаленность» спутника за настоящую.

·                    Сигнал также может задерживаться из-за атмосферной нестабильности (при прохождении сигнала через ионосферу и тропосферу скорость его распространения становится меньше скорости света) или сбоя часов принимающего устройства. Ведь код должен генерироваться одновременно и на передающем, и на принимающем устройстве. Если точный ход часов нарушен (а случается это только у принимающего устройства, поскольку на спутнике установлены атомные высокоточные часы), то может возникнуть погрешность.

·                    Система GPS, в первую очередь создана для военных целей. Поэтому гражданским пользователям достались приемники с весьма ограниченной точностью определения кjординат. Министерством Обороны США было установлено ограничение по точности определения координат для гражданских служб и частных пользователей, которое получило название Selective Availability (избирательный доступ). GPS стандартной точности была предназначена для граждан (код L1). Точность передачи сигнала при этом регулировалась так называемой дифференциальной коррекцией, и погрешность в 100 м считалась вполне нормальным явлением. Но сегодняшние бытовые GPS-устройства могут определять координаты с точностью до 5 метров.