Спутниковые системы навигации. Понятие глобальных спутниковых систем навигации

Скачать 214.95 Kb.

Название	Спутниковые системы навигации. Понятие глобальных спутниковых систем навигации
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

Спутниковые системы навигации.

Понятие глобальных спутниковых систем навигации.

Глобальные спутниковые системы навигации (Global Navigation Satellite System (GNSS)) - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Глобальная спутниковая система навигации позволяет с помощью небольших электронных приемников определять их местоположение (долготу, широту и высоту), используя специальные радиосигналы, которые передаются со спутника со скоростью света.

По состоянию на сегодняшний день – единственная спутниковая система навигация, которая полностью функционирует – американская система NAVSTAR (более известная как GPS – Global Positioning System). Принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами её главным недостатком.

Принадлежащая министерству обороны России система ГЛОНАСС, находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

Спутниковая навигационная система Галилео (Европейский союз) должна быть запущена в 2010 году, также в разработке индийская система IRNSS, которая предполагается к запуску в 2012 году.

Китай заявил о том, что региональная система Бейдоу может быть расширена до глобальной, однако на данный момент в этой системе – малое количество спутников, поэтому система предназначена только для использования в этой стране. [1],[2]

Рис. 1 Спутник системы NAVSTAR (фото NASA)
Пять идей, лежащих в основе GPS.

Во всех сегментах и элементах GPS используется оборудование, построенное на самых современных "высоких технологиях", но идеи в ее основе удивительно просты. Давайте рассмотрим из них пять наиболее важных.

1. Местоопределение по расстояниям до спутников
2. Измерение расстояний до спутников
3. Обеспечение точной привязки по времени
4. Определение положения спутника в пространстве
5. Компенсация погрешностей
Идея первая: Местоопределение по расстояниям до спутников.

GPS основана на определении координат местоположения по расстояниям до спутников. Это означает, что наши координаты на земле вычисляются на основе измеренных системой расстояний до группы спутников в космосе. Спутники выполняют роль точно координированных точек отсчета. Например, если мы знаем, что от нас до спутника А, скажем, 11000 км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11000 км с центром, совпадающим со спутником А.

Если одновременно расстояние до спутника В составляет 12000 км, то это еще больше сократит пространство, где мы можем находиться. Так как единственная область, где мы будем на расстоянии 11000 км от спутника А и 12000 км от спутника В, есть линия пересечения двух сфер, т.е. окружность.

Затем, если мы произведем измерение дальности еще и до третьего спутника, то сможем свести возможное местоположение до двух точек. Эти две точки находятся там, где сфера радиусом в 13000 км пересекается с окружностью, получившейся от пересечения сфер с радиусами 11000 км и 12000 км. Обычно, одна из двух точек - это неправдоподобное решение. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных. Вместе с тем, если Вы точно знаете свою высоту, как например моряки, находящиеся на уровне моря, Вы можете исключить одно из спутниковых измерений. Одна из сфер на рисунках может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным радиусу Земли плюс высота.

Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников. Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения. Трех измерений достаточно, если исключить неправдоподобные решения. Такой принцип определения местоположения называется трилатерацией. Еще одно измерение требуется по техническим причинам, которые будут рассмотрены ниже.

Рис. 2 Трилатерация

Идея вторая: Измерение расстояния до спутника.

Удивительно, но идея, лежащая в основе измерения расстояния до спутника, есть всего-навсего старое равенство, c которым все мы встречались в школе: "расстояние есть скорость, умноженная на время движения". GPS работает, измеряя время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света: 300 000 км в секунду. Если мы сможем точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда мы получили его, мы будем знать, как долго он шел до нас. И тогда, умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получим расстояние до спутника. Естественно, что наши часы должны быть весьма точны, так как если бы спутник находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 0,06 секунды для прохождения радиосигнала от спутника до нас.

GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики GPS обратились к разумной идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время. А далее, все, что нам остается сделать, так это принять код от спутника и посмотреть, как давно наш приемник сгенерировал тот же код. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными "псевдослучайными последовательностями", которые повторяются каждую миллисекунду.

Рис. 3 Псевдослучайная последовательность импульсов
Идея третья: Обеспечение совершенной временной привязки.

Если спутник и приемник имеют расхождение шкал времени (выходят из синхронизации) даже на 0,01 с, измерение расстояния будет произведено с ошибкой в 2993 км! По крайней мере одну сторону проблемы синхронизации часов обеспечить достаточно просто. На борту спутников установлены атомные часы. К счастью, существует способ обойтись в наших приемниках часами умеренной точности - секрет в том, чтобы произвести измерение дальности еще до одного спутника. Он состоит в том, что если три точных измерения определяют положение точки в трехмерном пространстве, то четыре неточных позволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника. Конечно, GPS - трехмерная система, но принцип, который мы обсуждаем, для простоты изложения мы рассмотрим на плоскости, т.е. в двух измерениях. Вот как это происходит. Предположим, часы приемника не так совершенны, как атомные. Их ход соответствует кварцевым часам, но они не вполне сверены с единым временем системы. Скажем, они отстают на одну секунду . Давайте посмотрим, как это скажется на вычислении нашего местоположения. Предположим, что мы находимся в четырех секундах от спутника А, и в шести секундах от спутника В. На плоскости этих двух измерений было бы достаточно для привязки нашего местоположения к какой-либо одной точке фактического местоположения. Если бы мы использовали приемник с часами, отстающими на секунду, он определил бы, что расстояние до спутника А составляет пять секунд, а до спутника В - семь секунд. В результате появятся две новые окружности, пресекающиеся уже в другой точке . Давайте добавим еще одно измерение. В двухмерном варианте это означает использование третьего спутника.

Предположим, (если у нас совершенные часы) спутник С находится в восьми секундах от нашего истинного положения и все три окружности пересекаются в одной точке, так как они соответствуют истинным дальностям до трех спутников. Если добавить одну секунду отставания ко всем трем измерениям, то новые окружности, соответствующие уже не истинным дальностям, а так называемым "псевдодальностям", не пересекутся в одной точке, а образуют некоторый треугольник, и вероятное местоположение окажется где-то внутри него. Таким образом, не существует точки, которая может быть одновременно в 5, 7 и 9 секундах соответственно от точек А, В и С. Это физически невозможно.

При обработке ошибочных сигналов компьютер приемника начинает вычитание (или прибавление) некоторого (одного и того же для всех измерений) интервала времени, к измеренным им псевдодальностям. Он продолжает корректировать время во всех измерениях до тех пор, пока не найдет решение, которое "проводит" все окружности через одну точку.

Из сказанного следует, что при трехмерном местоопределении (т.е. при одновременном определении трех координат - долготы, широты и высоты точки над принятым в расчетах земным эллипсоидом) необходимо выполнить четыре измерения, чтобы исключить погрешность временной привязки часов приемника к единому системному времени.

Необходимость в 4-х измерениях самым существенным образом сказывается на проектировании GPS-приемников. Если необходимо выполнять непрерывное местоопределение в реальном масштабе времени, то следует использовать приемник, имеющий по крайней мере четыре канала измерений. То есть такой, у которого с каждым из четырех спутников постоянно работает отдельный канал приема и первичной обработки сигналов.
Идея четвертая: Определение положения спутника в космическом пространстве.

До сих пор во всех наших рассуждениях мы принимали, что знаем точно, где в космическом пространстве находятся спутники и, исходя из этого, можем вычислить наше местоположение по их координатам и расстояниям до них. Но как узнать, где в космическом пространстве располагается нечто, двигающееся с большой скоростью и удаленное от нас на расстояние в 18000 км?

Для высоколетящего спутника 18000-километровая высота является настоящим приобретением. Все на такой высоте находится полностью вне земной атмосферы. А это означает, что полет по орбите вокруг Земли будет описываться очень простой математикой. Спутники GPS совершают такое же очень предсказуемое орбитальное движение вокруг Земли.

Орбиты известны заранее, а приемники имеют "альманах", размещаемый в памяти их компьютеров, из которого известно, где будет находиться каждый спутник в любой момент времени. Чтобы сделать систему более совершенной движение спутников GPS находится под постоянным контролем специальных наземных станций слежения. Обращаясь вокруг планеты один раз за 12 часов, спутники GPS проходят над контрольными станциями дважды в сутки. Это дает возможность точно измерять их высоту, положение и скорость. После того, как станции определили параметры движения спутника, они передают эту информацию обратно на спутник, заменяя ею в памяти бортового компьютера прежнюю. Далее эти небольшие поправки вместе с дальномерными кодовыми сигналами будут непрерывно передаваться спутником на Землю. Спутники GPS передают не только псевдослучайный дальномерный код, но также и информационные сообщения о своем точном положении на орбите и о состоянии своих бортовых систем. Все виды приемников GPS используют эту информацию вместе с информацией, заключенной в альманахе, для того, чтобы установить точное положение каждого спутника в космическом пространстве.
Идея пятая: Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Но как бы совершенна ни была система, существуют два источника погрешностей, которые очень трудно избежать. Наиболее существенные из этих погрешностей возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км.

Эти частицы существенным образом влияют на скорость распространения света, а следовательно, и на скорость распространения радиосигналов GPS. А это делает невозможными наши вычисления расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна. Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, мы можем предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний.

Таким образом, если мы сравним время распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых "двухчастотных" приемниках GPS. После того, как сигналы GPS пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в которой происходят все погодные явления. Водяные пары в атмосфере также могут влиять на радиосигналы. Ошибки по величине схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их почти невозможно скорректировать. Однако, их суммарный вклад в погрешность местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы. [3]
Точность систем

Системы спутниковой навигации имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от Военного Ведомства США. В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован.

В системе GPS это ограничение было отменено 1 мая 2000 года по указу Президента США.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 — только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа). Приближенная схема представлена на рис.

Гражданские сигналы GPS используют так называемый C/A (coarse/acquisition) код. Военные используют другой, так называемый "высокоточный" код p (precise code). Последний передается в более широкой полосе, чем гражданский, в результате чего оказывается возможным заглушить помехами гражданский код, передаваемый в более узком диапазоне, сохранив при этом возможность принимать сигналы высокоточного военного кода. Постановщики помех могут быть размещены на возвышенных участках местности, на высоких антеннах, однако наиболее экономичное решение - это установка их на борту специальных самолетов. По мнению господина Ричарда Лэнгли (Richard Langley), эксперта из университета в г. Нью-Брэнсуик (Канада), возможна также передача ложных сигналов. [4]

Рис. 4 Сигналы спутниковой системы GPS
Заявление президента США о прекращении намеренного ухудшения точности GPS системы NAVSTAR

"Сегодня, я рад объявить, что США прекращает программу преднамеренного ухудшения точности гражданских сигналов системы GPS, так называемый Избирательный Доступ (Selective Availability) начиная с полуночи. Это значит, что гражданские пользователи GPS системы, будут способны определять свои координаты в десять раз точнее, чем они делали это раньше.

В Директиве президента США (Март 1996) указывалось на возможность отмены Избирательного Доступа в 2006 году, чтобы ускорить процессы интеграции системы GPS в гражданские, коммерческие и научные приложения по всему миру. Кроме того, приветствовались инвестиции частного сектора для развития американских GPS технологий и сервисов. Решение прекратить использование SA явилось отражением усилий многих заинтересованных сторон, сделать уже сейчас GPS более надёжным инструментом для гражданского и коммерческого использования по всему миру

Мы будем предоставлять все эти возможности для пользователей по всему миру бесплатно. Моё решение о прекращении использования SA было основано на рекомендациях Секретариата США по обороне в координации со всеми заинтересованными организациями. Они признали, что отмена Избирательного Доступа обеспечит более высокий уровень безопасности транспортных перевозок по всему миру и использование GPS аппаратуры в научных и коммерческих целях. Вместе с улучшением GPS для гражданских пользователей, моя администрация полностью сохраняет функциональность GPS для военных целей. Решение отменить Избирательный Доступ не влияет на наши непрерывные усилия в обновлении военного сегмента, который использует систему GPS.

Мы уверены, что данное решение будет иметь минимальное воздействие в вопросах связанных с национальной безопасностью США. Кроме того, мы имеем возможность избирательного отключения доступа к GPS сигналам на региональной основе, если наша безопасность находиться под угрозой. Такая возможность полностью соответствует плану 1996 года прекратить намеренное ухудшение точности позиционирования гражданских пользователей по всему миру при использовании режима Избирательного Доступа.

Первоначально разработанная Министерством Обороны США, как военная система, GPS стала всемирным сервисом. Она может быть полезна пользователям по всему миру в различных приложениях, включая, навигацию самолётов, судов, сухопутного и железнодорожного транспорта, телекоммуникацию, добычу нефти, газа, угля и многое другое. В ближайшее время, гражданские пользователи смогут по достоинству оценить увеличение точности позиционирования после отмены Избирательного Доступа. Например, спасательная группа теперь способна определить на какой стороне дороги произошла авария и следовательно выиграть несколько дополнительных минут, которые могут спасти кому-то жизнь." [5]

На рисунках показано, как увеличилась точность GPS после отмены Избирательного Доступа.

Рис. 5 Точность GPS после отмены Избирательного доступа (по данным NASA)

Рис. 6 Точность GPS после отмены Избирательного доступа (по данным Академии Геодезии США)

Альманах и эфимерис

GPS спутники передают два вида данных - альманах и эфимерис. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.

В свою очередь, данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд.

Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска.

Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации.

Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса. Это называется "горячий" старт.

Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый" старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса.

Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный" старт. [6]
Спутниковая навигационная система «ГЛОНАСС»

ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система — российская спутниковая система навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в 3-х орбитальных плоскостях с наклонением 64,8°, и высотой 19100 км.

При доведении количества действующих спутников до 18, на территории России обеспечивается практически 100%-ная непрерывная навигация. На остальной части Земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов. Практически непрерывная навигация по всей территории Земного шара обеспечивается при полной орбитальной группировке из 24-х спутников.

Принцип измерения аналогичен американской системе GPS (NAVSTAR). Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию.

По утверждениям Генерального Конструктора ГЛОНАСС Юрия Урличича, полное покрытие территории России планируется уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигнет к началу 2010 года.
ГЛОНАСС. Принцип работы.
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приёмников ГЛОНАСС, возможность определения:

горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7%).

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей Министерства обороны России, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приёме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приёмник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.

Одновременно с проведением измерений в приёмнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приёмника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Универсального координированного времени (UTC). [7]

На данный момент в системе ГЛОНАСС 16 космических аппаратов, которые обеспечивают практически постоянное полноценное функционирование системы на территории России, что видно из рисунков. На первом приведены зоны видимости системы ГЛОНАСС для пункта слежения информационно-аналитического центра в Подмосковье. На втором рисунке пример мгновенной доступности системы в каждой точке мира. Эта картина постоянно меняется, но тендеция очевидна – в Европе и на территории России практически постоянно видно не менее четырех спутников группировки.[8]

Рис. 7 Зоны Видимости спутников системы «ГЛОНАСС»

Рис. 8 Мгновенная доступность системы ГЛОНАСС

Наземное оборудование

Станции слежения (на примере системы GPS)

Наземная часть системы GPS состоит из станций слежения. На всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Затем информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции и используется для обновления эфемерид спутников.

Наземные антенны используются для передачи команд и обновленной навигационной информации на спутники и для приема данных о функционировании спутников (телеметрии).

Операторы спутниковых систем осуществляют фактическую загрузку информации. Если в процессе мониторинга выявляются ситуации, когда данные телеметрии не соответствуют требуемым техническим характеристикам, то за их корректировку отвечает оператор космического аппарата. Примером подобных ситуаций может быть "период затмения", когда спутник находится на теневой стороне планеты. В это время используется энергия батареи, поскольку на солнечные панели не падает свет.

Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа. Мониторинг состояния спутников осуществляется практически непрерывно. За сутки выполняется 70-80 контактов с созвездием спутников. Оператор наземных систем отвечает за поддержание работоспособности всех каналов связи между главной станцией и удаленными станциями.

Оператор спутниковой системы подготавливает и передает команды и загрузочные данные, а оператор космического аппарата выполняет различные тесты функционирования подсистем. После поступления сигнала об обнаруженном сбое, в течение 30-40 мин выполняется анализ работоспособности спутника. В настоящее время в случае, если спутник находится в зоне видимости, срочные загружаемые команды могут быть выполнены в течение нескольких минут.

Оператор космического аппарата постоянно отслеживает механическую работоспособность спутников. В случае отклонения от штатной работы космического аппарата он предпринимает необходимые действия по обеспечению "безопасности" тепловых, электрических и механических устройств спутника. Существующее в настоящее время число наземных станций наблюдения приводит к разрывам в слежении за орбитами. С целью обеспечения не только непрерывной, но и избыточной видимости за спутниками, к сети имеющихся станций наблюдения добавляются еще станции Национального управления картографирования (NIMA). Увеличение числа наземных станций обеспечивает более высокую точность и полноту данных. Кроме того, появляется возможность увеличения разностей между временем GPS и UTC (USNO), которые обновляются в интервале от 1 до 96 раз в сутки (каждые 15 минут). [9]

Рис. 9 Базовые GPS станции в Москве, Санкт-Петербурге и Ярославле

Реализаций базовых GPS-станций в России занимается компания «НавГеоКом». Целью проекта является обеспечение непрерывными GPS данными всех заинтересованных потребителей с возможностью удалённого доступа к ним через сеть Internet.

Ядром системы является двухчастотный GPS приёмник Trimble серии 4000 SSi, работающий под управлением программного обеспечения Trimble GPSBase. Приёмник круглосуточно записывает в компьютер данные для постобработки с интервалом в 5 секунд. Продолжительность одного файла данных составляет два часа, после чего он архивируется и выкладывается в Internet на FTP сервер. В среднем размер одного файла составляет 350 Кб.

Постоянно действующая GPS базовая станция поддерживает работу в режиме RTK с передачей поправок через GPRS.
GPS-приемники

Рассмотрим собственно GPS-приемники – последнюю связь между системой спутникового навигации и потребителем. По конструктивному исполнению и назначению бытовые GPS-приемники условно подразделяются на три класса. К первому относятся компактные устройства или встраиваемые модули, не имеющие дисплеев и предназначенные для работы в тандеме с другой электронной аппаратурой — например, с сотовым телефоном или с компьютером.

Второй класс — переносные или стационарные устройства, которые отображают на дисплее всю навигационную информацию (время, координаты, скорость, высоту, направление на точку, курс, азимут и т.д.) и позволяют прокладывать маршрут и сохранять введенные данные.

И наконец, третий класс GPS-аппаратуры образуют навигаторы, способные работать с картографической информацией — встроенной или загружаемой. Причем в наиболее дорогих приборах предусмотрена возможность использования карт, записанных на флэш-носителях.

Производством GPS-оборудования сегодня занимаются несколько десятков фирм, но в «бытовом» сегменте наибольшее распространение получила американская продукция под торговыми марками Garmin и Magellan.
Принцип работы всех GPS-приемников одинаков. После включения и короткой самодиагностики навигатор приступает к поиску сигналов спутников. Делается это по одному из трех алгоритмов. Если прибор хранился в выключенном состоянии долгое время или был перевезен на большое расстояние, то поиск спутников пойдет с «чистого листа»: приемнику сначала придется обновить данные альманаха (грубые данные об орбитах всех спутников), а потом уже — точные поправки к индивидуальным параметрам каждого из них (тот самый эфемерис). Такой режим носит название «холодного старта» и может продлиться довольно долго. Но после получасовой паузы в работе старт будет значительно более быстрым («теплым»): используя пока еще «свежий» альманах, приемник просто дополнит его полученными данными эфемериса. И наконец, быстрее всего спутники будут «найдены» в режиме «горячего» старта — после кратковременного отключения питания.

Что произойдет дальше? Наладив космический контакт, многие навигаторы указывают «формат», в котором они готовы работать. Надпись «2D Location» означает, что приемник «видит» не более трех спутников и определяет только «плоские» координаты — долготу и широту. Индикация «3D Location», в свою очередь, говорит о том, что для навигации используются сигналы минимум четырех космических объектов и приемник уже в состоянии определиться в трехмерном пространстве, то есть указать долготу, широту и высоту. Правдивость этих показаний можно оценить по точности позиционирования — она тоже отображается на дисплее и, как правило, напрямую зависит от количества принимаемых сигналов: чем больше спутников «видит» прибор, тем точнее он определяет свое местоположение.

Рис. 10 Навигаторы «Магеллан»

Всем, кто решил стать владельцем персонального спутникового навигатора, мы рекомендуем сперва изучить предложение на рынке — и разобраться с функциональными особенностями продающейся у нас аппаратуры. Удобнее всего это сделать через Интернет, тем более что толковых русскоязычных веб-ресурсов хватает. Определитесь, как и для каких целей вы будете использовать GPS-приемник. Линейка компактных и довольно удобных в пользовании навигаторов Garmin eTrex, к примеру, разрабатывалась специально для «пешеходного» применения: приборчики приспособлены под управление одной рукой, а все кнопки выведены на боковые поверхности корпуса.

Но для автомобиля это далеко не лучший вариант, тем более что все модели eTrex снабжены небольшим экраном. Существуют специальные автомобильные навигаторы — с крупными дисплеями и удобным управлением. Но в переносном варианте они будут слишком громоздкими. Для установки на катер или яхту имеет смысл приобрести прибор с функцией сигнализации якорного дрейфа: при отклонении от точки стоянки на заданную величину или уходе с курса такой приемник подаст предупреждающий сигнал. Некоторые GPS-приемники выпускаются «пустыми», какие-то имеют встроенную базу городов и крупных населенных пунктов, другие могут работать с подробными электронными картами регионов. Но имейте в виду, что за «продвинутую» модель стационарного навигатора, позволяющую подгружать картографическую информацию, придется выложить не меньше $600 (по данным сайта amazon.com)[10] и вдобавок потратиться на дополнительные аксессуары: кабели, держатели, флэш-карты и т.д.

В условиях плохого приема сигналов (например, в лесу) может помочь выносная антенна, но гнездо для ее подключения имеют далеко не все приборы. И наконец, в продаже встречаются навигаторы, снабженные автономным барометрическим высотомером и электронным магнитным компасом, который позволяет ориентироваться по сторонам света «классическим» способом.

Рис. 11 Навигатор Magellan RoadMate 1200
Ни один, пусть даже самый «продвинутый» прибор не в состоянии полностью заменить человеческий разум, элементарные навыки ориентирования и здравый смысл. Не случайно любая инструкция по эксплуатации персонального навигатора начинается с предостережения о том, что излишнее доверие к спутниковым технологиям может привести к роковым последствиям. К примеру, по сигналам из космоса нельзя измерять высоту над поверхностью земли — приемник показывает только «абсолютное» превышение над уровнем моря. В условиях, где нет возможности перемещаться с устойчивой скоростью (например, в горах), навигатор не сможет указать правильное направление на заданную точку — истинным будет лишь расстояние до нее. Не стоит забывать и о крайне низкой помехоустойчивости GPS-оборудования — при профессиональном использовании спутниковая навигация обязательно дублируется вспомогательными системами. И наконец, не обольщайтесь насчет записи «грибных» маршрутов: в густом лесу неустойчиво работают даже сверхчувствительные приемники с выносными антеннами. Словом, в сложные путешествия все-таки лучше брать с собой не только навигатор, но и обыкновенный магнитный компас вместе со старой доброй бумажной картой.[11]
Ссылки:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_система_навигации

3. http://auto-pilotage.ru/choise

4. http://www.hpc.ru/news/7108

5. http://www.navgeocom.ru/gps/doclad/doclad2.htm

6. http://www.gps-club.ru/gps_think/detail.php?ID=3904

7. http://www.yougps.ru/articles/the_whole_truth_about_the_glonass.html

8. http://www.glonass-ianc.rsa.ru/

9. http://www.navgeocom.ru/gps/gengps/index.htm

10. http://www.amazon.com/Magellan-Crossover-3-5-Inch-Portable-Navigator/dp/tech-data/B000KMEGDA/ref=de_a_smtd

11. http://www.autoreview.ru/new_site/year2003/n19/gps/1.htm?phrase_id=3822354

12. http://gps-gis.narod.ru/index5/index57.html

	Абсолютный метод спутникового позиционирования. Спутниковый навигационный... Цель работы. Студенты должны ознакомиться с абсолютным методом спутниковых определений координат, научиться конфигурировать спутниковые...		Отчет по вопросам защиты от помех радиоприему сигналов Глобальных... Комиссия по регулированию использования радиочастотного спектра и спутниковых орбит
	Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и... ЦниигаиК разработал Инструкцию по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных...		Де карвальо антонио алвеш разработка методики модернизации плановой... Охватывает комплекс вопросов, относящихся к разработке методики модернизации плановой геодезической сети г. Луанда. В основу разработанной...
	Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и... ...		Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и... ...
	Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и... ...		Новиков В. С., Олянюк П. В. Основы радионавигации: Учеб для вузов.... Олянюк П. В., Астафьев Г. П., Грачев В. В. Радионавигационные устройства и системы гражданской навигации: Учебник для вузов. – М.;...
	Инструкция пользователя по управлению хранимыми ресурсами оглавление Запрос “ЛК” удаление информации о периоде навигации или о периоде определения ресурсов 21		Научно-образовательный материал «Методика использования в школьном...
	Телевизоры со светодиодной подсветкой Инструкции по эксплуатации Мы создали в этом телевизоре меню навигации, которое предлагает вам удобный для понимания интерфейс пользователя		Знакомство с вашим устройством seika 40 4 Клавиши передней панели, смартпэд, электронные кнопки навигации и клавиши маршрутизации курсора 5
	Инструкция по эксплуатации Данная инструкция содержит информацию об аппаратном обеспечении и функциям, не относящимся к навигации. Для информации о навигационной...		Техническое задание на поставку осциллографа в рамках реализации... «Техническое перевооружение производства малогабаритных адаптивных антенных систем для спутниковых систем связи ао «нпц «Вигстар»,...
	Техническое задание Система Бизнес-планирования и управленческой отчетности Схема Все экранные формы пользовательского интерфейса должны быть выполнены в едином графическом дизайне, с одинаковым расположением...		Техническое задание Система Бизнес-планирования и управленческой отчетности Схема Все экранные формы пользовательского интерфейса должны быть выполнены в едином графическом дизайне, с одинаковым расположением...

Спутниковые системы навигации. Понятие глобальных спутниковых систем навигации

Похожие: