Сравнительная характеристика систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

 

Институт гуманитарного  образования

Кафедра «Таможенное дело»

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Теория  и практика применения технических  средств таможенного контроля »

Тема: «Сравнительная характеристика систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС»

 

 

                                                         Выполнил: студент 6-го курса заочной

                                                   формы обучения факультета УПП, 

                                                         группы Т-07-1, уч. шифр: И-06-Т-517к

             Тюрнев К.Н.

          Проверил:

                                                          Сапожников Ю. М.

 

 

 

 

Иркутск

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение...................................................................................................................3

І. Глобальные нвигационные системы..................................................................4

1.1 GPS……………………………………………………………………...……...4

1.1.1 Состав системы GPS.......................................................................................5

1.1.2 Принцип действия GPS…………………………………………………......6

1.1.3 Источники ошибок GPS.................................................................................9

1.2 ГЛОНАСС........................................................................................................10

1.2.1 Необходимое системе  количество спутников…………………………...11

1.2.2 Периоды развития  ГЛОНАСС…………………………..………...……...12

1.2.3 Точность ГЛОНАС……………………………………….…..….…….......14

1.2.4 Доступность ГЛОНАСС………………………………………………......15

1.2.5 Модернизация ГЛОНАСС…………………………………………….......17

ІІ. Сравнительная характеристика GPS и ГЛОНАСС………………………....19

2.1 GPS и ГЛОНАСС: сходства и  отличия……………………………..……...20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................22

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….......25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Наверняка каждый из вас  слышал о спутниковой навигации, многие даже ею пользовались. Однако мало кто знает эту тему настолько, чтобы понимать все выгоды, которые  несет в себе спутниковая навигации. А ведь если говорить о применении навигационных технологий в экономике, то практически каждое предприятие может получить быстрый финансовый эффект от внедрения систем мониторинга и диспетчеризации.

Цель данной курсовой работы, разобраться во всех полезных возможностях спутниковой навигации – как в хозяйственной деятельности, так и при личном использовании и осуществить сравнительную характеристику глобальных навигационных спутниковых систем таких как GPS и ГЛОНАСС. Самое важное, о чем должен знать в наше время современный человек: спутниковая навигация реально работает. Она позволяет экономить деньги и помогает решать жизненно важные задачи. Сейчас никому не нужно доказывать значение и необходимость мобильной связи, так же как и необходимость спутниковой навигации которая является той высокотехнологичной темой, которая совсем прочно вошла в нашу жизнь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І. Глобальные навигационные системы.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) – это система, при помощи которой можно получить свои координаты в любой точке земной поверхности путем обработки спутниковых сигналов. Любая ГНСС состоит из трех сегментов: космического, наземного и пользовательского. Космический сегмент представлен созвездием спутников, передающих информацию о своем положении на орбите; наземный сегмент состоит из стационарных станций, обеспечивающих мониторинг и контроль положения спутников, а также их технического состояния; пользовательский сегмент - это люди различных профессий, использующие спутниковые приемники для определения своего местоположения на земной поверхности.

 

1.1 GPS

Спутниковая навигационная  система GPS была изначально разработана  США для использования в военных  целях. Другое известное название системы  – NAVSTAR. Ставшее уже нарицательным  название «GPS» является сокращением от Global Positioning System, которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это название полностью характеризуется предназначение системы – обеспечение навигации на всей территории Земного шара.

Лидирующее положение системы GPS во многом стала возможной благодаря шагам американского правительства, которое в 2000 году сделало GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70-100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3-10 метров.

По результатам многих исследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономический эффект – повышается безопасность движения и перевозок в целом, уменьшается расход топлива.

1.1.1 Состав системы GPS

Космический сегмент

Космический сегмент  системы GPS состоит из орбитальной  группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.

Первый спутник был запущен в феврале 1978 года. Это был спутник первой модификации GPS-I . За последние 30 лет, на орбите сменилось несколько модификаций GPS спутников: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процессе модернизации снижался вес спутников, улучшалось стабильность бортовых часов, повышалась надежность.

GPS спутники передают  три навигационных сигнала на  двух частотах L1 и L2. «Гражданский»  сигнал C/A, передаваемый на частоте  L1 (1575. 42 МГц), доступен всем пользователям,  и обеспечивает точность позиционирования 3-10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227. 60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.

В последней модификации  спутников «GPS IIR-М» реализован новый  «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.

Идентификация навигационных  сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду» (PRN – pseudo-random noise), уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме, передавая навигационный сигнал на Землю.

«Избыточность» спутников  позволяет обеспечить пользователю вычисление позиции в условиях, где  «видимость» неба ограничена высотными  зданиями, деревьями или горами.

Наземный сегмент

Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций  и главной станции управления, расположенных на военных базах  США – на островах Кваджалейн и  Гавайях в Тихом океане, на острове  Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных  и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

1.1.2 Принцип действия GPS

Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении  расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей.

Расстояние до спутников определяется простым уравнением R = t * c, где t –время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя, а с – постоянная величина, равная скорости света. Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPS приемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.

Чтобы определить момент, в который сигнал был «отправлен»  со спутника, навигационное сообщение  модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом, соответствующим номеру спутника. Аналогичная  последовательность генерируется в GPS приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый со спутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» в приемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовых посылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS приемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколько десятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычисление позиции.

Но если на GPS спутниках  установлены атомные часы, имеющие  очень высокую точность и стоимость  которых составляет несколько сотен  тысяч долларов, то в обычных GPS навигаторах  использование таких дорогих  источников частоты просто невозможно. В GPS навигаторах используются недорогие кварцевые генераторы, которые имеют существенно меньшую точность. Поэтому для вычисления «уходов» кварца при решении навигационной задачи используются измерения 4-го спутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными – координатами X, Y, Z и временем T. Именно по этой причине измеренное расстояние до спутников называют «псевдодальностью», подразумевая, что оно содержит ошибку связанную с неточностью часов. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторы одновременно отслеживают до 8-10 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей.

Информацию о местоположении спутников GPS приемники получают из передаваемых в навигационных сообщений  данных альманаха и эфемерид. Альманах содержит информацию о расположение спутников «на небе», что позволяет при очередном включении GPS прибора значительно сузить секторы поиска навигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Точные координаты спутников вычисляются на основании данных эфемерид. В отличие от альманаха, спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его использования в подсчете позиции, GPS приемник должен получить полное навигационное сообщение. Ошибки передачи, связанные с «плохими» окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемерид позволяет GPS приемнику определять позицию за 1-2 секунды. Этот режим называется «горячим» стартом

Геометрический фактор определяет относительное расположение GPS приемника и спутников, используемых в подсчете позиции. Его величина влияет на точность определения позиции. Если все спутники расположены в одном направлении от GPS приемника, то площадь пересечения всех окружностей будет достаточно большой. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений, влияющих на точность подсчета позиции.

В случае, когда спутники расположены «вокруг» GPS приемника, область пересечений окружностей  и соответственно величина неопределенностей  уменьшаются.

1.1.3 Источники ошибок GPS

В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее, чем в теории. Это объясняется влиянием на GPS измерения различного рода ошибок. Можно выделить три категории ошибок:

• Ошибки системы;
• Ошибки связанны с распространением навигационного сигнала;
• Ошибки приемной аппаратуры.

Ошибки системы связаны  точностью атомных часов спутников  и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталона времени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных сообщений и учитываются GPS приемником в вычислениях позиции.

Второй тип системных  ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все равно присутствуют.