Основы спутниковой навигации системы координат. Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение. Точность определения координат места

Сегодня мы поговорим о том, что такое GPS, как работает эта система. Уделим внимание развитию данной технологии, ее функциональным особенностям. Также обсудим, какую роль в работе системы играют интерактивные карты.

История появления GPS

История появления глобальной системы позиционирования, или определения координат, началась в США еще в далеких 50-х годах при запуске первого советского спутника в космос. Бригада американских ученых, следивших за запуском, заметила, что при отдалении спутник равномерно меняет свою частоту сигнала. После глубокого анализа данных они пришли к выводу, что при помощи спутника, если говорить более подробно, то его расположения и издаваемого сигнала, можно точно определить нахождение и скорость передвижения человека на земле, как и наоборот, скорость и нахождение спутника на орбите при определении точных координат человека. К концу семидесятых годов Минобороны США запустило систему GPS в своих целях, а еще через несколько лет она стала доступна для гражданского применения. Система GPS как работает сейчас? Точно так, как и работала в то время, по тем же принципам и основам.

Сеть спутников

Более двадцати четырех спутников, находящихся на околоземной орбите, передают радиосигналы привязки. Количество спутников варьируется, но на орбите всегда находится нужное их число для обеспечения бесперебойной работы, плюс некоторые из них есть в запасе, чтобы в случае поломки первых принять их функции на себя. Так как срок службы каждого из них приблизительно около 10 лет, производится запуск новых, модернизированных версий. Вращение спутников происходит по шести орбитам вокруг Земли на высоте менее 20 тысяч км, оно образует взаимосвязанную сеть, которой управляют станции GPS. Находятся последние на тропических островах и связаны с основным координационным центром в США.

Как работает GPS-навигатор?

Благодаря этой сети можно узнать местонахождение при помощи вычисления задержки прохождения сигнала от спутников, и при помощи этой информации определить координаты. Система GPS как работает сейчас? Как и любая сеть навигации в пространстве - она совершенно бесплатна. Она с высокой эффективностью работает при любых погодных условиях и в любое время суток. Единственная покупка, которая должна у вас быть, это сам GPS-навигатор или устройство, которое поддерживает функции GPS. Собственно, принцип работы навигатора строится на давно используемой простой схеме навигации: если точно знаете место, где находится маркерный объект, наиболее подходящий на роль ориентира, и расстояние от него до вас, нарисуйте окружность, на которой точкой обозначьте ваше месторасположение. Если радиус окружности велик, то замените ее прямой линией. Проведите несколько таких полос от возможного вашего расположения в сторону маркеров, точка пересечения прямых обозначит ваши координаты на карте. Вышеупомянутые спутники в таком случае как раз и играют роль этих маркерных объектов с расстоянием от вашего месторасположения около 18 тысяч км. Хотя вращение их по орбите и происходит с огромной скоростью, местоположение постоянно отслеживается. В каждом навигаторе установлен GPS-приемник, который запрограммирован на нужную частоту и находится в прямом взаимодействии со спутником. В каждом радиосигнале содержится определенное количество закодированной информации, которая включает в себя ведомости о техническом состоянии спутника, местонахождении его на орбите Земли и часовом поясе (точное время). К слову, информация о точном времени и является наиболее нужной для получения данных о ваших координатах: происходящее вычисление отрезка времени между отдачей и приемом радиосигнала умножается на скорость самой радиоволны и путем недолговременных подсчетов рассчитывается расстояние между вашим навигационным прибором и спутником на орбите.

Сложности синхронизации

Исходя из этого принципа навигации, можно предположить, что для точного определения ваших координат могут понадобиться всего два спутника, на основе сигналов которых легко будет найти точку пересечения, и в итоге — место, где вы находитесь. Но, к сожалению, технические причины требуют применения еще одного спутника как маркера. Главная проблема заключается в часах GPS-приемника, что не позволяет провести достаточную синхронизацию со спутниками. Причиной этому является разница в отображении времени (на вашем навигаторе и в космосе). На спутниках присутствуют дорогие высококачественные часы на атомной основе, что позволяет им вести подсчет времени с предельной точностью, тогда как на обычных приемниках такие хронометры применить попросту невозможно, так как габариты, стоимость, сложность в эксплуатации не позволили бы применять их повсюду. Даже малая ошибка в 0.001 секунды может сместить координаты более чем на 200 км в сторону!

Третий маркер

Так что разработчики решили оставить обычную технологию кварцевых часов в GPS-навигаторах и пойти по другому пути, если говорить точнее - использовать вместо двух ориентиров-спутников — три, соответственно, столько же линий для последующего пересечения. Решение проблемы строится на гениально простом выходе: при пересечении всех линий с трех обозначенных маркеров, даже при возможных неточностях, создается зона в форме треугольника, за центр которого берется его середина - ваше расположение. Также это позволяет выявить отличие во времени приемника и всех трех спутников (для которых отличие будет одинаковым), что позволяет скорректировать пересечение линий ровно в центре, проще говоря — это определяет ваши координаты GPS.

Одна частота

Следует также заметить, что все спутники посылают на ваше устройство информацию на одной частоте, и это довольно необычно. Как работает GPS-навигатор и как воспринимает всю информацию корректно, если все спутники беспрерывно и одновременно посылают на него информацию? Все довольно-таки просто. Передатчики на спутнике для определения себя посылают в радиосигнале еще и стандартную информацию, в которой находится зашифрованный код. Он сообщает максимум характеристик спутника и заносится в базу данных вашего устройства, что потом позволяет сверять данные со спутника с базой данных навигатора. Даже при большом количестве спутников в зоне досягаемости очень быстро и легко их можно определить. Все это упрощает всю схему и позволяет использовать в GPS-навигаторах меньшие по размеру и более слабые антенны приема, что удешевляет и уменьшает дизайн и габариты устройств.

GPS-карты

Карты GPS загружаются на ваше устройство отдельно, так как вы сами влияете на выбор местности, по которой хотите передвигаться. Система всего лишь устанавливает ваши координаты на планете, а уже функцией карт является воссоздание на экране графической версии, на которую наносятся координаты, что и позволяет вам ориентироваться на местности. GPS как работает в данном случае? Бесплатно, это так и продолжает оставаться в таком статусе, карты в некоторых интернет-магазинах (и не только) все же платные. Зачастую для прибора с GPS-навигатором создаются отдельные приложения для работы с картами: как платные, так и бесплатные. Разновидность карт приятно удивляет и позволяет настроить дорогу из точки A в точку Б максимально информативно и со всеми удобствами: какие достопримечательности вы будете проезжать, кратчайший путь до пункта назначения, голосовой помощник, указывающий направление и другие.

Дополнительное GPS-оборудование

Применяется система GPS не только для указания вам нужного пути. Она позволяет производить слежку за объектом, на котором может находиться так называемый маячок, или GPS-трекер. Состоит он из самого приемника сигналов и передатчика на основе gsm, 3gp или иных протоколов связи для передачи информации о расположении объекта в сервисные центры, осуществляющие контроль. Применяются они во многих отраслях: охранной, медицинской, страховой, транспортной и многих других. Также существуют автомобильные трекеры, которые подключаются исключительно к автомобилю.

Путешествия без проблем

С каждым днем значения карты и бессменного компаса уходят все дальше в прошлое. Современные технологии позволяют человеку проложить дорогу для своего странствия с минимальными потерями времени, усилий и средств, при этом увидеть наиболее захватывающие и интересные места. То, что было фантастикой около столетия назад, сегодня стало реальностью, и воспользоваться этим может практически каждый: от военных, моряков и пилотов самолетов до туристов и курьеров. Сейчас большую популярность набирает и использование этих систем для коммерческой, развлекательной, рекламной отраслей, где каждый предприниматель может указать себя на глобальной карте мира, и его будет совсем нетрудно найти. Надеемся, что эта статья помогла всем, кто интересуется тем, GPS - как работает, по какому принципу происходит определение координат, какие его сильные и слабые стороны.

ВВЕДЕНИЕ

Используя Систему Глобального Позиционирования (GPS процесс используется для определения координат в любой точке мира), следующие два значения определяют точку на Земле(рис.1):

1. Первое – точное расположение(координаты долготы, широты и высоты) обеспечивается в диапазоне от 20 м до приблизительно 1 мм.

2. Прецизионное время (UTC), его точность лежит в диапазоне от 60 нс до примерно 5 нс.

Скорость и направление движения можно получить из этих координат. Значения координат и времени определяются посредством спутников Земли.

Рис.1 Основная функция спутниковой навигации

В 2007 году Система глобального позиционирования (GPS),

разработанная United States Department of Defense (DoD) была единственной полноценной рабочей системой GNSS. Быстро развивающаяся промышленность спутниковой навигации сосредоточена в основном на GPS системе, вот почему термины GPS и спутниковая навигация иногда подменяют друг друга. Данный документ рассмотрит и другие системы GNSS.

GPS(полное название: Система навигации и глобального позиционирования, NAVSTARGPS) была разработана U.S. Department of Defense (DoD) и может использоваться как гражданскими, так и военными. Гражданский сигнал SPS (стандартное позиционирование) может использоваться всеми, тогда как военный сигнал PPS(прецизионное позиционирование) может использоваться только специальными агентами. Первый спутник был помещен на орбиту 22 февраля 1978 г., а в настоящее время имеется 28 рабочих спутников на высоте 20 180 км на 6 различных орбитах. Их орбиты отклоняются на 55 0 к экватору, при этом последние 4 спутника обеспечивают радиосвязь с любой точкой планеты. Орбита каждого спутника Земли составляет примерно 12 часов, и он имеет 4 атомных синхронизатора на плате

Во время разработки системы GPS основной акцент был сделан на следующих трех аспектах:

1. Она должна обеспечить потребителей возможностью определять позицию, скорость и время в движении или в покое.

2. Она должна обеспечивать непрерывное 3-х мерное позиционирование с высокой степенью точности, независимо от погоды.

3. Она должна иметь возможность использования гражданским населением.

Через пять или 6 лет появится три независимых доступных GNSS системы. США продолжит обеспечивать GPS Россию и Европейский Союз, которые также добавят свои системы GLONASS и GLILEO. Все эти системы будут модернизированы с целью повышения надежности и

доступности для новых приложений2 .

Краткое руководство рассмотрит основные принципы спутниковой навигации и их применение в приложениях и технологиях. На GPS будет основной акцент в связи с промышленным стандартом, а

также будут рассмотрены такие разработки как Differential-GPS (DGPS), Assisted-GPS (AGPS) и

интерфейсы устройства в различных разделах. Все это сделано с целью обеспечить читателя фундаментальной информацией о столь увлекательной области.

Рис. 2 Запуск GPS спутника

1 Спутниковая навигация – это просто

Если Вам нравится. . .

o понимать, как определяется расстояние до молнии

o понимать, как работают основные функции спутниковой навигации

o знать, как много атомных синхронизаторов стоит на плате GPS спутника o знать, как определить позицию на карте

o понимать, почему необходимо 4 спутника для обеспечения позиционирования тогда эта глава для Вас!

1.1 Принцип измерения транзитного времени сигнала

Какое-то время в течение грозовой ночи Вы, несомненно, пытались понять, как далеко Вы находитесь - по вспышке молнии. Расстояние можно установить довольно легко (Рис. 3): расстояние = момент вспышки молнии (стартовое время) до появления грома (конечное время), умноженный на скорость звука (приблизительно 330 м/с.). Разница между стартовым и конечным временем и есть транзитное время.

Глаз опреде

Транзитное время

ляет стартовоевремя

Рис.3 Определение расстояния по вспышке молнии

Расстояние = транзитное время * скорость звука

Система GPS функционирует согласно такому же принципу. Для того чтобы вычислить точную позицию, нужно всего лишь измерить транзитное время сигнала между точкой наблюдения и четырьмя другими спутниками, чьи позиции известны.

1.1.1 Основные принципы спутниковой навигации

Все спутниковые навигационные системы используют общие принципы определения координат:

Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал.

Здесь мы видим принципы, наиболее часто применяемые в простых моделях. Представим, что мы в машине и хотим определить свое местонахождение на длинной и прямой улице. В конце улицы есть радиопередатчик, посылающий тактовый импульс каждую секунду. В автомобиле есть часы, которые синхронизированы с часами радиопередатчика. Измеряя время от передатчика до машины, мы можем определить нашу позицию на улице (Рис. 4).

Распространение

Вычисление позиции

Передатчик сигнала с помощью погрешности по времени 1 мкс

Рис.4 В простейшем случае Расстояние определяется временем распространения

Расстояние D вычисляется путем умножения времени распространения ∆τ на скорость света c. D = ∆τ c

Поскольку синхронизация часов в машине с передатчиком неидеальна, существует разница между вычисленным расстоянием и фактическим. В навигации это некорректное значение звучит как псевдодиапазон. В нашем примере ошибка по времени составляет 1 микросекунду (1мкс) и определяет псевдодиапазон в 300 м.

Мы могли бы решить данную проблему, оснастив наш автомобиль точными атомными часами, но это значительно повлияет на наш бюджет. Другим решением будет использование второго синхронизированного передатчика, расстояние до которого известно. Измеряя оба времени распространения, можно точно определить расстояние, несмотря на неточные бортовые часы.

Расстояние А

Рис.5 С двумя передатчиками можно вычислить точную позиция несмотря на ошибки по времени

Как видно, чтобы точно вычислить позицию и время вдоль линии (принимаем, что линия продолжается только в одном направлении), нам необходимо два передатчика сигналов времени. Из этого мы можем сделать следующий вывод: при несинхронизированных бортовых часах, используемых при расчете позиции, необходимо число передатчиков сигналов времени, превышающее число неизвестных измерений на единицу.

На плоскости (два измерения) нам необходимо три передатчика сигналов времени.

в трехмерном пространстве нам необходимо четыре передатчика сигналов времени.

Системы спутниковой навигации и используют спутники как передатчики сигналов времени. Связь с последними 4 спутниками(Рис.6) необходима для определения трехмерных координат(Долгота, Широта, Высота) в течение всего времени. Мы рассмотрим это более детально в следующих разделах.

Рис.6 4 спутника необходимы для определения Долготы, Широты, Высоты и Времени

1.1.2 Время прохождения сигнала

Системы спутниковой навигации используют высоко расположенные спутники, которые размещаются таким образом, чтобы из любой точки n на земле можно было провести линию, по крайней мере, к четырем спутникам.

Каждый этих спутников имеет до четырех атомных часов на борту. Атомные часы являются в настоящее время наиболее точным инструментом, теряя максимум одну секунду каждые 30,000 из 1,000,000 лет. Для того чтобы делать их еще более точными, делают коррекцию или синхронизацию из различных управляющих точек на Земле. Каждый спутник передает свою точную позицию и точное время на Землю с частотой 1575.42 МГц. Эти сигналы передаются со скоростью света (300,000 км/с) и, следовательно, потребуется приблизительно 67,3 мс для достижения земной поверхности прямо под спутником. Сигналу необходимо 3,33 на каждый дополнительный километр. Если Вы хотите установить вашу позицию на земле (или в море или где-то еще), все, что Вам нужно - точные часы. При сравнении времени получения спутникового сигнала со временем отправки возможно определить транзитное время этого сигнала (Рис 7).

Рис.7 Определение транзитного времени сигнала

Как в примере с машиной, Расстояние D до спутника можно определить, используя транзитное время: Расстояние = время в пути * скорость света

1.1.3 Определение позиции на карте

Представьте себе, что Вы идете через обширное плато и хотите знать, где Вы. Два спутника, расположенные выше Вас передают свои времена на борту и позиции. Используя сигнальное транзитное время обоих спутников, Вы можете нарисовать два круга с радиусами D1 и D2 вокруг спутников. Каждый радиус соотносится с расстоянием, вычисленным спутником. Все возможные расстояния до спутника расположены на окружности круга. Если позиция выше спутников исключена, позиция приемника - в точке пересечения кругов под спутниками (Рис. 8).

Двух спутников достаточно, чтобы определить позицию на плоскости X/Y.

Рис.8 Позиция приемника в точке пересечения двух кругов

В действительности, позиция должна быть определена в трехмерном пространстве, а не на плоскости. Различие между плоскостью и трехмерным пространством состоит в дополнительном измерении (высота Z), дополнительный третий спутник должен быть доступен для определения действительной позиции. Если расстояния до трех спутников известны, то все возможные позиции расположены на поверхности трех сфер, чьи радиусы соответствуют рассчитанным расстояниям. Искомая позиция – место пересечения всех трех сфер (Рис. 9).

Рис. 9 Позиция определяется как точка пересечения трех сфер

1.1.4 Появление и коррекция ошибки времени

Мы принимали до сих пор, что измерение транзитного времени сигнала было точным. Тем не менее, это не так. Приемнику для точного измерения времени необходима синхронизация. Если транзитное время имеет ошибку 1 нс – позиционная ошибка составит 300 м.Часы на борту всех трех спутников синхронизированы, при этом погрешность измерений транзитного времени складывается. Математика является единственной вещью, которая может нам помочь. Вспомним, что, если имеется N неизвестных переменных, то нам нужно N независимых уравнений.

Если измерение времени сопровождается постоянной неизвестной ошибкой, у нас будет четыре неизвестных переменных в 3-пространстве D:

Долгота(X)

Широта(Y)

Высота(Z)

Ошибка времени(∆t)

Из этого следует, что в 3-х мерном пространстве 4 спутника необходимы для определения точной позиции.

Спутниковые навигационные системы сконструированы таким образом, чтобы из любой точки на Земле было видно как минимум 4 спутника (Рис.10). Таким образом, несмотря на погрешность часов приемника и ошибок по времени, позиция вычисляется с точностью примерно 5 – 10 м.

Рис.10 4 спутника необходимы для определения позиции в 3-D пространстве

2 GNSS Технология: Пример GPS

Если Вам нравится. . .

o понимать, почему необходимо 3 различных GPS сегмента o знать, что у каждого сегмента есть функция

o знать, как сделан GPS спутник

o знать, какого рода информация передается на Землю o понимать, как генерируется сигнал спутника

o понимать, как определяется транзитное время сигнала o понимать, какое значение имеет корреляция

o понимать, почему необходим минимальный период времени GPS для работы онлайн o знать, что такое фреймы и подфреймы

тогда эта глава для Вас!

2.1 Описание системы

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

• Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников , излучающих специальные радиосигналы ;
• Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах ;
• Приёмное клиентское оборудование («спутниковые навигаторы »), используемое для определения координат;
• Опционально: наземная система радиомаяков , позволяющая значительно повысить точность определения координат.
• Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников , положение которых известно с большой точностью . Таблица положений всех спутников называется альманахом , которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений . Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн . Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы . При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

• Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).
• Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
• Неоднородность атмосферы , из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;
• Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
• Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

• Геодезия : с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
• Картография : системы навигации используется в гражданской и военной картографии
• Навигация : с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта : с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь : первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта - Эра-ГЛОНАСС.
• Тектоника , Тектоника плит : с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых : существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг : информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

Современное состояние

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

GPS

Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства поддерживающие навигацию по GPS являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.

ГЛОНАСС

Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. Отмечается малая распространенность клиентского оборудования. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

Бэйдоу

Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность - небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите. В настоящий момент выведено на орбиту Земли восемь навигационных спутников. Согласно планам, к 2012 году она сможет покрывать Азиатско-Тихоокеанский регион, а к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная. Реализация данной программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007-ом.

Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

IRNSS

Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 году.

QZSS

Первоначально японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. В марте 2006 японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнётся второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объём услуг.

Основные характеристики систем навигационных спутников

Технические детали работы систем

Рассмотрим некоторые особенности основных действующих систем спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС):

Дифференциальное измерение

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет точность порядка 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

См. также

• Псевдоспутник

Примечания

Ссылки

Международный форум по спутниковой навигации Мероприятие, посвящённое вопросам спутниковой навигации

Мобильный ГИС для предприятий лесного хозяйства GPS навигация, контроль лесоустроительных данных по спутниковым снимкам, карта лесхоза, таксационное описание в мобильном телефоне.

Многие слышали такие слова, как GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Большинство знает, что эти понятия означают навигационные спутниковые системы (далее - НСС).

Аббревиатура GPS относится к американской НСС NAVSTAR. Эта система была разработана для военных целей, но была использована и для решения гражданских задач - определение местоположения для воздушных, сухопутных, морских пользователей.

В Советском союзе разработка собственной НСС ГЛОНАСС была скрыта за завесой секретности. После распада СССР работы в этом направлении длительное время не велись, поэтому NAVSTAR стала единственной глобальной системой, которая применялась для определения местоположения в любой точке планеты. Но только США доступно другое предназначение этой системы – наведения массового поражения на цель. И еще один не маловажный фактор – по решению военного ведомства США может быть отключен «гражданский» сигнал с американских навигационных спутников и пассажирские самолеты, корабли потеряют ориентацию. Эта монополия на управление спутниковой системой со стороны США не устраивает многие страны, включая Россию. Поэтому многие страны Россия, Индия, Япония, страны Европы, Китай, стали разрабатывать свои собственные НСС позиционирования. Все системы являются системами двойного назначения – они могут передавать два вида сигналов: для гражданских объектов и повышенной точности для военных потребителей. Основной принцип работы навигационной системы – полная автономность: система не принимает никаких сигналов от пользователей (беззапросная) и имеет высокую степень помехозащищенности и надежности.

Создание и эксплуатация любой НСС - очень сложный и дорогостоящий процесс, который из-за военной направленности должен принадлежать только государству страны-разработчика, поскольку является стратегическим видом вооружения. В случае вооруженного конфликта технология спутниковой навигации может быть использована не только для наведения оружия, но и для десантирования грузов, поддержки передвижения военных подразделений, осуществления диверсионных и разведывательных операций, что даст значительное преимущество стране, обладающей собственной технологией спутникового позиционирования.

Российская система ГЛОНАСС использует принцип определения позиции такой же, как у американской системы. В октябре 1982 года первый спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту Земли, но в эксплуатацию система была введена только в 1993 году. Спутники российской системы беспрерывно излучают сигналы стандартной точности (СТ) - в диапазоне 1, 6 ГГц и высокой точности (ВТ) - в диапазоне 1,2 ГГц. Прием сигнала СТ доступен любому пользователю системы и обеспечивает определение горизонтальных и вертикальных координат, вектора скорости, а также времени. Например, для точного указания координат и времени необходимо принять и обработать информацию не менее, чем от четырех спутников системы ГЛОНАСС. Вся система ГЛОНАСС состоит из двадцати четырех спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте около 19100 км. Период обращения каждого из них составляет 11 часов и 15 минут. Все спутники располагаются в трех орбитальных плоскостях - в каждой по 8 аппаратов. Конфигурация их размещения обеспечивает глобальное покрытие навигационным полем не только поверхность земли, но и околоземное пространство. В систему ГЛОНАСС входят Центр управления и сеть станций измерения и контроля, которые располагаются на всей территории России. Каждый потребитель, принимающий навигационный сигнал со спутников ГЛОГАСС, должен иметь навигационный приемник и аппаратуру обработки, позволяющей вычислить собственные координаты, время и скорость.

В настоящее время система ГЛОНАСС не обеспечивает 100% доступ к своим услугам для пользователей, но предполагает наличие трех спутников на видимом горизонте России, что по заявлению специалистов делает возможным вычислять пользователям свое местоположение. Сейчас на орбите Земли находятся спутники «ГЛОНАСС-М», но после 2015 года планируется их заменить на аппараты нового поколения - «ГЛОНАСС-К». Новый спутник будет иметь улучшенные показатели (увеличен гарантийный срок, появиться третья частота для гражданских потребителей и т.д.), аппарат будет в два раза легче - 850 кг вместо 1415 кг. Также для поддержания работоспособности всей системы потребуется только один групповой запуск «ГЛОНАСС-К» в год, что существенно снизит общие расходы. Для внедрения системы ГЛОНАСС и обеспечения ее финансирования, аппаратура этой навигационной системы устанавливается на всех вводимых в эксплуатацию транспортных средствах: самолетах, судах, наземном транспорте и т.д. Другое основное предназначение системы ГЛОНАСС - обеспечение национальной безопасности страны. Однако, по мнению экспертов, будущее российской навигационной системы не является безоблачным.

Система Galileo создается с целью обеспечения европейских потребителей самостоятельной навигационной системой - независимой, в первую очередь, от США. Финансовый источник этой программы составляет около 10 млрд. евро в год и финансируется на одну треть из бюджета, а на две трети из средств частных компаний. Система Galileo включает 30 спутников и наземные сегменты. Изначально Китай, наравне с другими 28 государствами присоединился к программе GALILEO. Россия вела переговоры по взаимодействию российской системы навигации с европейской GALILEO. Кроме европейских государств к программе GALILEO присоединились Аргентина, Малайзия, Австралия, Япония и Мексика. Планируется, что GALILEO будет передавать десять видов сигналов для предоставления следующих видов услуг: определение местоположения с точностью от 1 до 9 метров, обеспечение информацией служб спасения всех видов транспорта, предоставление услуг государственным службам, скорой помощи, пожарным, полиции, военным специалистам и службам, обеспечивающим жизнедеятельности населения. Еще одна немаловажная деталь - программа GALILEO обеспечит создание около 150 тыс. рабочих мест.

В 2006 году Индия также приняла решение о создании собственной навигационной системы IRNSS. Бюджет программы около 15 млрд. рупий. На геосинхронные орбиты планируется вывести семь спутников. Работы по развертыванию индийской системы ведет государственная компания ISRO. Все аппаратные средства системы будут разрабатываться только индийскими компаниями.

Китай, желающий занять ведущую позицию на геополитической карте мира, разработал собственную спутниковую навигационную систему «Бэйдоу» (Beidou). В сентябре 2012 года два спутника, входящие в эту систему, были успешно запущены с космодрома Сичан. Они пополнили список 15 космических аппаратов, выведенных китайскими специалистами на околоземную орбиту в рамках создания полноценной спутниковой навигационной системы.

Реализация программы началась китайскими разработчиками еще в 2000 году с запуска двух спутников. Уже в 2011 году на орбите находилось 11 спутников, и система вошла в стадию экспериментальной эксплуатации.

Развертывание собственной навигационной спутниковой системы позволит Китаю не зависеть от крупнейших мировых систем американской (GPS) и российской (ГЛОНАСС). Это повысит эффективность китайских отраслей экономики, особенно, таких, которые связаны с телекоммуникациями.

Планируется, что к 2020 году в китайской НСС будет задействовано около 35 спутников, и тогда система «Бэйдоу» сможет контролировать весь земной шар. Китайская НСС предусматривает следующие виды услуг: определение местоположения с точностью до 10 м, скорости до 0,2 м/с и времени до 50 нс. Особенный круг пользователей будет иметь доступ к более точным параметрам измерений. Китай готов на взаимодействие с другими странами по разработке и эксплуатации спутниковой навигации. Китайская система «Бэйдоу» полностью совместима с европейской Galileo, российской ГЛОНАСС и американской GPS.

«Бэйдоу» эффективно применяется при подготовке прогнозов погоды, предупреждении стихийных бедствий, в области транспорта наземного, воздушного и морского, а также геологоразведке.

В планах Китая постоянное усовершенствование своей спутниковой навигационной системы. Увеличение количества спутников позволит расширить зону обслуживания всего азиатско-тихоокеанского региона.

Использованы материалы:
http://www.odnako.org/blogs/show_20803/
http://www.masters.donntu.edu.ua/2004/ggeo/mikhedov/diss/libruary/mark.htm
http://overseer.com.ua/about_glonass.html
http://4pda.ru/2010/03/16/21851/
http://expert.com.ua/57706-galileo-%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B9%D0%B4%D1%91%D1%82%D1%81%D1%8F-%D0%B5%D0%B2%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BE%D1%8E%D0%B7%D1%83-%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE-%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B6%D0%B5.html

Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др.

Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам:

Доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения.

Целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее.

Непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.

Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зо-не аэродрома и некатегорированном заходе на посадку не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС потребителями.

В СНС ГЛОНАСС и GPS высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов:

Космического сегмента;

Сегмента управления;

Сегмента потребителей.

Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS) и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы наземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п.

Основу концепции СНС ГЛОНАСС и GPS составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение искомых навигационных данмирудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя весьма компактным и экономичным.

Космический сегмент.

Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3 - 5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть.

Основное значение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭМВ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационых параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппаратурой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.

Дальномерная составляющая содержит компоненты стандартной и высокой точности. Стандартная точность измерений доступна всем потребителям, а высокая - только авторизованным, т.е. имеющим разрешение военных контролирующих органов. Разграничение доступа достигается путем кодирования сигналов высокой точности.

В условиях военных действий возможны попытки как постановки преднамеренных помех с целью подавления сигнала СНС (джаминг), так и попытки навязывания (спуфинг), т.е. подмены сигнала и ввода в приемную аппаратуру противника заведомо ложной информации при помощи сторонних передатчиков. Поскольку в литературе весьма редко встречается четкое толкование термина «антиспуфинг» применительно к СНС, следует особо подчеркнуть, что речь идет именно о защите от навязывания.

Сегмент управления.

Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции ста-раются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитически-ми факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной стан-цией. На главной станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА.

Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС.

Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов.

Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени.

Сегмент потребителей.

Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации; гражданские организации; частные лица. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма вычисления оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами.

Определение текущих координат НКА.

Несмотря на некоторое сходство с радиомаячными навигационными системами (беззапросность, дальномерный метод), СНС имеют также и существенные отличия. Координаты радиомаяков неизменны и заранее известны, тогда как координаты НКА необходимо постоянно находить. Определение текущих координат НКА, движущихся с большими непостоянными относительно потребителя скоростями представляет собой сложную техническую и вычислительную задачу.

При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. Контрольно-измерительные станции расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. По результатам доступных наблюдений в вычислительном центре главной командной станции вычисляются параметры орбит НКА. Они подвергаются математической обработке по алгоритмам устранения погрешностей. Затем на основании обработанных данных составляется прогноз параметров орбиты в фиксированные (опросные) моменты времени вплоть до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Во время сеанса связи эфемериды передаются на НКА, а затем в виде навигационного сообщения, содержащего эфемериды и соответствующие метки времени - потребителям. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты НКА в опорные моменты времени, потребитель может вычислить координаты НКА в произвольный момент времени. Кроме эфемерид в навигационное сообщение закладывается альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС в целом, включая загрубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых НКА и выбора оптимального созвездия.

Общепринятые единицы мер времени.

Рассмотрение принципов построения и функционирования спутниковых навигационных систем невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА к единой шкале времени и т.д.

Принято различать две группы единиц отсчета времени:

Астрономические;

Неастрономические.

Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400сек и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой фиксированной точки отсчета на небесной сфере, для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.

Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками, или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени меридиана.

Местное звездное время измеряется часовым углом положения точки весеннего равноденствия относительно небесного меридиана. Под небесным меридианом понимают проекцию земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах, секундах.

Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движений по конусу - прецессий, и небольших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.