Спутниковая система навигации

Оглавление 

Введение

Спутниковая система навигации — 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.

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, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
• Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для 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 распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала 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. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.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 определённых 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.

ГЛАВА 1.

1. GPS Навигация

      C древних времен была актуальна  задача определения точных географических координат на местности. Мореплаватели древности, путешествуя по своим маршрутам, ориентировались по Солнцу днем, по звездам - ночью. Определив высоту светил над горизонтом и их часовой угол, а также зная их небесные координаты, они могли точно сориентироваться в пространстве, определить свое местоположение и расстояние до пункта назначения. К сожалению, погодные условия далеко не всегда были идеальными, так что сбиться с курса особого труда не представляло.Около 1300 года в Европе был создан судовой компас. Компас - это простейший прибор, представляющий собой магнитную стрелку, закрепленную на оси. С его появлением задача навигации в море и на суше существенно упростилась. С этой поры путешественники уже в существенно меньшей степени зависели от погоды. В начале XX века был сконструирован надежный и точный прибор - гирокомпас. Он стал использоваться на крупных морских судах. В отличие от обычного компаса, гирокомпас указывает направление не на магнитный полюс, а на истинный географический.В эру радио перед человеком открылись новые возможности. Появились радиолокационные станции, которые могли определить параметры движения и относительное местоположение объекта в пространстве по отраженному им лучу. Возникла идея определения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. Наконец, в 60-е гг. XX века произошла революция! Успешные запуски космических спутников обозначили практическую возможность разработки системы глобального позиционирования, которая позволяет вычислять географические координаты на поверхности Земли на базе измерения расстояний до нескольких спутников в космосе.

GPS сегодня  дает возможность:

• установить с высокой точностью свое местоположение на Земле;
• без проблем попасть в конечную точку маршрута вашего движения и возвратиться на исходную позицию;
• зная начальную и конечную точки маршрута перемещения, проложить маршрут по магистральным и местным грунтовым дорогам, а также по улицам незнакомого города;
• увидеть пути объезда пробок, заторов, участков дорог, на которых производится ремонт и др. препятствия, которые могут затруднить ваше передвижение;
• обозначить путевыми точками опасные участки дороги, АЗС, посты ГИБДД, придорожные кафе, мотели и при необходимости воспользоваться данной информацией на маршруте следования;
• использовать путевой компьютер, который отражает Вашу скорость, время в пути, среднюю скорость движения (в том числе, среднюю скорость движения с учетом остановок) и время остановок;
• стать картографом и составить карту, к примеру, своего дачного или коттеджного поселка.

1.1 История системы GPS

      Система глобального позиционирования GPS начала разрабатываться в декабре 1973 г. ВВС США. Система спутниковой навигации получила название NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range), в переводе на русский язык это означает "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения". Для глобального покрытия требовалось вывести в космос орбитальную группировку из 24 спутников.

Первый  экспериментальный спутник GPS был выведен на орбиту США 14 июля 1974 г. С этого момента началась непосредственная реализация системы. Первоначально система GPS использовалась в интересах военных для высокоточного и независимого от погоды определения точного местоположения объектов на поверхности Земли, а также в воздухе и космосе. В 1978-1985 гг. была запущена первая серия из 11 спутников.

К моменту  начала развертывания GPS, уже существовали много лет успешно работающие навигационные технологии. Внедрение новой системы, особенно учитывая консерватизм военных, потребовало немалых усилий и широкомасштабной переподготовки в армии. Командный состав ВВС США вначале отказывался от GPS, т.к. эта система была очень дорогой. В 1979 г. финансирование системы было сокращено, а запланированное количество спутников уменьшено с 24 до 18.

ВМФ США  также не приветствовал внедрение  системы спутниковой навигации  и предпочитал пользоваться уже  существующими проверенными методами. Серьезным ударом для GPS стала гибель самолета "Боинг-747" (принадлежавшего Южной Кореи), который был сбит над Татарским проливом советским истребителем, после того, как отклонился от курса. На самолете была установлена навигационная система GPS. 

      В конечном итоге, Пентагон был вынужден отказаться от полномасштабной поддержки  спутниковой группировки. Для спасения системы, GPS была рассекречена и начала использоваться в гражданских интересах. Однако точность определения координат была уменьшена специальным алгоритмом.Благодаря интересам коммерции, система GPS начала быстро развиваться и совершенствоваться. Можно сравнить ее с Интернет, который также быстро завоевал весь мир после передачи технологии в коммерцию.

В 1988 г. было вновь принято решение увеличить  орбитальную группировку до 24 спутников. Вторая группа спутников была запущена в 1989 г. С 1991 г. сняты ограничения на продажу оборудования GPS в страны бывшего СССР. 8 декабря 1993 г. система была полностью развернута.

Через некоторое время появилась информация, что алгоритм уменьшения точности был  расшифрован, и ошибки определения  местоположения успешно компенсируются. 1 мая 2000 г. загрубление точности было отменено указом президента США.

1.2 Состав системы GPS

      Система GPS включает в себя три фундаментальных составляющих.

     1. Космический сегмент - это 24 спутника, которые находятся на 6 круговых орбитах, расположенных под углом 60° друг к другу. Спутники обращаются вокруг Земли по орбитам радиусом 22 200 километров со скоростью около 11 000 км/час таким образом, что совершают один полный оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.

Масса спутника GPS составляет около 900 кг, поперечник более 5 м, включая солнечные батареи. Каждый из спутников имеет на своем борту атомные часы, которые обеспечивают очень высокую точность ( 10-9 сек ), а также вычислительно-кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, которые излучают на частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц.

Созвездие спутников составлено таким образом, что в любой момент времени  в любой точке Земного шара можно видеть над горизонтом от 5 до 8 спутников. Достаточное количество спутников находится в зоне видимости даже на полюсах, однако они находятся низко над горизонтом. Тем не менее, это почти не влияет на точность определения местоположения.

      2. Наземный сегмент находится под  контролем Министерства Обороны  США. Он включает в себя пять  контрольно-измерительных станций,  находящихся в разных точках  Земли: на Гавайях, на Кваджалейне,  в Диего-Гарсия, в Колорадо-Спрингс,  на острове Вознесения. Также в сегмент входят четыре станции связи и центр управления всей системой, который находится на авиабазе в Шривере, штат Колорадо, США.Космические станции слежения непрерывно отслеживают движение космических аппаратов и сообщают телеметрические данные в центр управления.

В центре управления вычисляются уточненные элементы спутниковых орбит, а также  коэффициенты поправок шкал времени. Вычисленные  данные поступают по каналам станций  связи на спутники не реже, чем один раз в сутки.

      3. GPS-приемник - это третий сегмент системы навигации, который позиционируется и дает возможность вычислять географические координаты на базе полученных от спутников данных.

Работа  системы GPS базируется на принципе спутниковой трилатерации. Этот принцип означает, что возможно вычислить координаты точки на поверхности Земли, зная расстояния до нескольких спутников. Точные местонахождения спутников GPS известны, т.к. постоянно передаются на Землю расчетные параметры орбит. Поэтому для GPS-приемника спутники являются объектами с известными в любой момент времени координатами.

Если  мы знаем расстояние до одного спутника, то мы можем описать сферу определенного  радиуса вокруг него. К примеру, если расстояние до спутника составляет 22 000 км., то можно говорить о том, что  мы находимся где-то на воображаемой сфере, радиус которой - 22 000 км. Зная расстояние до второго спутника, мы аналогичным образом описываем сферу. Пересечение двух сфер дает нам окружность, на которой находится искомая точка. Наконец зная расстояние до третьего спутника, мы описываем третью сферу, которая, пересекаясь к окружностью, дает нам две точки. Обычно одну из точек можно отбросить, т.к. она находится либо внутри Земного шара, либо очень высоко. GPS-приемники могут быстро вычислить, какая из двух точек является истинной.

Мы можем  вычислить координаты любой точки  около поверхности Земли, приняв сигнал не менее чем от трех спутников. Но для точных вычислений координат  необходимо использовать очень точные часы. Это необходимо потому, что  ошибка во времени всего в 0,001 секунды дает промах определения местоположения в 300 км. Именно поэтому на каждом из спутников GPS установлены атомные часы, причем не одни, а в четырех экземплярах, чтобы гарантировать, что хотя бы одни из них будут работать в любом случае. Атомные часы на спутнике дают точность 0,000000001 секунды. Как правило, GPS-навигаторы могут принимать сигналы одновременно от 12 спутников, что более чем достаточно для решения любых практических задач. Тем не менее, в продаже можно увидеть 14-ти и даже 18-ти канальные спутники. Но даже от 12 спутников принять сигналы одновременно почти нереально. Чтобы это сделать, надо, во-первых, находиться в поле на открытом месте, во-вторых, конфигурация созвездия спутников должна быть благоприятной. А вот от 18 спутников принять сигналы одновременно невозможно, т. к. часть из них находится под горизонтом.

1.3 Основные понятия GPS

Для того, чтобы успешно пользоваться GPS-навигацией, необходимо знать ее основные понятия.

Путевая точка - метка на местности, созданная  человеком при помощи GPS-навигатора и сохраненная в памяти прибора. Путевыми точками отмечаются те места, к которым будет необходимо вернуться. К примеру, можно отметить местоположение автомобиля, оставленного на опушке леса, лунки во льду, поста ДПС и т. д.

Путевым точкам могут быть назначены имена, что позволяет сделать записи более осмысленными и упорядоченными. Современные GPS-навигаторы могут сохранить в своей памяти от 500 до 3000 путевых точек.

Путевые точки можно переписать на компьютер  и упаковать в архив. Или наоборот - закачать их с компьютера в память навигатора. Таким образом, существует возможность обмениваться путевыми точками с друзьями. Им не придется объяснять, как добраться до того или иного места, достаточно по координатам создать путевую точку.