Для визначення місця розташування в даний час найбільш широке застосування знайшли глобальні навігаційні супутникові системи (ГНСС): російська ГЛОНАССі американська GPS.
В першу чергу це пов'язано з доступністю і мініатюризацією пристроїв навігації. Персональний навігатор сьогодні став таким же звичним пристроєм, як мобільний телефон або комп'ютер.
Крім того, ГНСС володіють високою точністю визначення навігаційних параметрів і мають глобальне покриття.
Принцип роботи ГНСС
Принцип визначення місця розташування споживача досить простий, як все геніальне. Знаючи розташування супутників (інформація міститься в навігаційному сигналі супутника) і відстань до них можна шляхом нескладних алгебраїчних обчислень однозначно визначити своє місце розташування в деякій тривимірної системі координат. В ідеалі, щоб отримати три координати споживача, досить знати інформацію про трьох навігаційних космічних апаратах (НКА).
Однак, не все так просто виявляється на практиці. Вся справа в тому, що в ГНСС реалізований принцип беззапитним вимірювань дальності, тобто визначається час проходження інформаційного сигналу від супутника до споживача. А для того, щоб цей час визначити з високою точністю необхідно синхронізувати годинник супутника і навігаційної апаратури споживача (НАП). У зв'язку з цим для знаходження координат і неузгодженості годин НАП і ГНСС необхідно знати параметри не менше ніж про 4-х супутниках.
|
При створенні ГНСС в першу чергу враховувалися такі вимоги, як глобальність, всепогодность, безперервність і цілодобовість, перешкодозахищеність, компактність, доступність. Забезпечити виконання всіх перерахованих вимог, а також досягнення високих експлуатаційних характеристик дозволяє спільне функціонування трьох основних сегментів: космічного; наземного; призначеного для користувача. |
| Дізнайтесь більше Актуальну інформацію про стан угруповання ГЛОНАСС можна дізнатися на сайті Інформаційно-аналітичного центру координатно-часового |
Космічний сегмент ГЛОНАСС є орбітальне угруповання з 24 НКА, розташованих в трьох площинах по 8 супутників в кожної з висотою орбіти 19100 км і нахилом - 64,8 °. Крім того, в кожній площині повинен знаходитися один резервний супутник. НКА випромінюють радіосигнали на власних частотах.
Наземний сегмент складається з космодрому, командно-вимірювального комплексу та центру управління.
Ну і нарешті сегмент, який представляє найбільший інтерес споживача, - призначений для користувача, в який входить НАП.
ГНСС сьогодні
Сучасні вітчизняні приймачі цивільного застосування, встановлюються на НАП транспортних засобів, працюють за сигналами ГЛОНАСС (L1-діапазон, СТ-код) і GPS (L1, С / А-код) і дозволяють визначати (за рівнем імовірності 0,95 при значенні геометричного фактора не більше 3):
координати в плані з похибкою не більше 10 м і по висоті - не більше 15 м;
планову швидкість з похибкою не більше 0,15 м / с.
На сьогоднішній момент застосування односистемних приймачів ГНСС в НАП (тільки ГЛОНАСС або тільки GPS) практично зійшло нанівець. В першу чергу це пов'язано з тим, що в умовах сучасного міського ландшафту неминуче затінення радиовидимости супутників. Прикладом є робота НАП поблизу стіни будинку, коли фізично половина небосхилу закрита. В кінцевому рахунку це призводить до того, що можливості по точному позиціонуванню об'єкта знижуються, а іноді стає неможливим. Використання двох навігаційних систем покращує і розширює можливості для споживачів.
В таких умовах використання ГЛОНАСС спільно з GPS істотно підвищує надійність і достовірність роботи НАП за визначенням координат.
Багато автовласників використовують навігатори в своїх автомобілях. При цьому деякі з них не знають про існування двох різних супутникових систем - російської ГЛОНАСС і американської GPS. З цієї статті ви дізнаєтеся, в чому ж їх відмінності і який слід віддати перевагу.
Як працює навігаційна система
Навігаційна система в основному використовується для того, щоб визначити місце розташування об'єкта (в даному випадку автомобіля) і швидкість його руху. Іноді від неї вимагається і визначення деяких інших параметрів, наприклад, висоти над рівнем моря.
Обчислює вона ці параметри, встановлюючи відстань між самим навігатором і кожним з декількох супутників, розташованих на земній орбіті. Як правило, для ефективної роботи системи необхідна синхронізація з чотирма супутниками. За зміною цих відстаней вона і визначає координати об'єкта та інші характеристики руху. Супутники ГЛОНАСС НЕ синхронізуються з обертанням Землі, через що забезпечується їх стабільність на великому проміжку часу.
Відео: ГЛОНАСС vs GPS
Що краще ГЛОНАСС або GPS і в чому їх різниця
Системи навігації в першу чергу припускали їх використання у військових цілях, і тільки потім стали доступні для звичайних громадян. Очевидно, що військовим необхідно використовувати розробки своєї держави, тому що іноземна система навігації може бути відключена владою цієї країни в разі виникнення конфліктної ситуації. Більш того, в Росії закликають використовувати систему ГЛОНАСС і в повсякденному житті військовим і державним службовцям.
У повсякденному житті звичайного автомобіліста і зовсім не варто переживати з приводу вибору навігаційної системи. І ГЛОНАСС, і забезпечують якість навігації, достатню для використання в життєвих цілях. На північних територіях Росії та інших держав, розташованих в північних широтах, супутники ГЛОНАСС працюють ефективніше, через те, що їх траєкторії пересування знаходяться вище над Землею. Тобто в Заполяр'ї, в скандинавських країнах ГЛОНАСС ефективніше і це визнали шведи ще в 2011 році. В інших регіонах GPS трохи точніше ГЛОНАСС в визначення місця розташування. За даними Російської системи диференціальної корекції і моніторингу помилки GPS становили від 2 до 8 метрів, помилки ГЛОНАСС від 4 до 8 метрів. Але GPS, щоб визначити місце розташування потрібно зловити від 6 до 11 супутників, ГЛОНАСС вистачить 6-7 супутників.
Також слід врахувати, що система GPS з'явилася на 8 років раніше і пішла в солідний відрив в 90-ті роки. І за останнє десятиліття ГЛОНАСС цей відрив скоротила майже повністю, а до 2020 року розробники обіцяють, що ГЛОНАСС не буде ні в чому поступатися GPS.
На більшість сучасних встановлюється комбінована система, яка підтримує як російську супутникову систему, так і американську. Саме такі пристрої є найбільш точними і мають найнижчу помилкою у визначенні координат автомобіля. Також зростає і стабільність сигналів, адже такий апарат може «побачити» більше супутників. З іншого боку, ціни на такі навігатори набагато вище односистемних аналогів. Воно і зрозуміло - в них вбудовуються два чіпи, здатні приймати сигнали від кожного типу супутників.
Відео: тест GPS і GPS + ГЛОНАСС приймачів Redpower CarPad3
Таким чином, найбільш точними і надійними навігаторами є двосистемні пристрою. Однак їх переваги пов'язані з одним істотним недоліком - вартістю. Тому при виборі потрібно подумати - а чи потрібна настільки висока точність в умовах щоденного використання? Також для простого автолюбителя не надто важливо, який навігаційною системою користуватися - російської або американської. Ні GPS, ні ГЛОНАСС не дадуть вам заблукати і доставлять до бажаного місця призначення.
Довгий час створена в США система глобального геопозиционирования GPS була єдиною доступною рядовим користувачам. Але навіть з урахуванням того, що точність цивільних приладів була спочатку нижче в порівнянні з військовими аналогами, її з головою вистачало і для навігації, і для відстеження координат автомобілів.
Однак ще в Радянському Союзі була розроблена власна система визначення координат, відома сьогодні як ГЛОНАСС. Незважаючи на подібний принцип роботи (використовується розрахунок тимчасових інтервалів між сигналами від супутників), ГЛОНАСС має серйозні практичні відмінності від GPS, обумовлені і умовами розробки, і практичною реалізацією.
- ГЛОНАСС відрізняється більшою точністю в умовах північних регіонів. Це пояснюється тим, що значні військові угруповання СРСР, а згодом і Росії, були розташовані саме на півночі країни. Тому і механіка ГЛОНАСС розраховувалася з урахуванням точності в таких умовах.
- Для безперебійної роботи системи ГЛОНАССне потрібні коригувальні станції. Для забезпечення точності GPS, супутники якої нерухомі відносно Землі, необхідна ланцюжок геостаціонарних станцій, що відстежують неминучі відхилення. У свою чергу, супутники ГЛОНАСС рухливі щодо Землі, тому проблема коригування координат відсутня спочатку.
Для цивільного застосування ця різниця відчутна. Наприклад, в Швеції ще 10 років тому активно застосовувалася саме ГЛОНАСС, незважаючи на велику кількість вже існувала апаратури під GPS. Чимала частина території цієї країни лежить на широтах російської Півночі, і переваги ГЛОНАСС в таких умовах очевидні: чим менше схиляння супутника до горизонту, тим при рівній точності оцінки тимчасових інтервалів між їх сигналами (задається апаратурою навігатора) вірніше можна розрахувати координати і швидкість руху.
Так що ж краще?
Досить оцінити сучасний ринок телематичних систем, щоб отримати правильну відповідь на це питання. Використовуючи в навігаційної або охоронній системі підключення до супутників GPS і ГЛОНАСС одночасно, можна домогтися трьох головних переваг.
- Висока точність. Система, аналізуючи поточні дані, може вибрати найбільш вірні з наявних. Наприклад, на широті Москви максимальну точність зараз забезпечує GPS, в той час як в Мурманську за цим параметром лідером стане ГЛОНАСС.
- Максимальна надійність. Обидві системи працюють на різних каналах, тому, зіткнувшись з навмисним глушінням або стороннім засміченням перешкодами ефіру в діапазоні GPS (як в більш поширеному), система збереже можливість геопозиционирования по мережі ГЛОНАСС.
- незалежність. Так як і GPS, і ГЛОНАСС спочатку є військовими системами, користувач може зіткнутися з позбавленням доступу до однієї з мереж. Для цього розробнику досить ввести програмні обмеження в реалізацію протоколу зв'язку. Для російського споживача ГЛОНАСС стає в якійсь мірі резервним способом роботи в разі недоступності GPS.
Саме тому системи «Цезар Сателіт», пропоновані нами, у всіх модифікаціях використовують саме подвійне геопозиціонування, доповнене відстеженням координат з базових станцій стільникового зв'язку.
Як працює дійсно надійне геопозиціонування
Розглянемо роботу надійної системи відстеження GPS / ГЛОНАСС на прикладі Cesar Tracker A.
Система знаходиться в сплячому режимі, не передаючи дані в стільникову мережу і відключивши приймачі GPS і ГЛОНАСС. Це необхідно для максимально можливого заощадження ресурсу вбудованого акумулятора, відповідно, забезпечення найбільшої автономності системи, що захищає Ваш автомобіль. У більшості випадків акумулятора вистачає на 2 роки роботи. Якщо Вам потрібно виявити місцезнаходження свого автомобіля, наприклад при викраденні, необхідно звернутися в центр безпеки «Цезар Сателіт». Наші співробітники переводять систему в активний стан і отримують дані про місцезнаходження авто.
Під час переходу в активний режим одночасно відбуваються три незалежних процесу:
- Спрацьовує приймач GPS, аналізуючи координати по своїй програмі геопозиционирования. Якщо за заданий проміжок часу виявлено менше трьох супутників, то система вважається недоступною. Аналогічно відбувається визначення координат по ГЛОНАСС-каналу.
- Трекер порівнює дані від обох систем. Якщо в кожній було виявлено достатню кількість супутників, трекер вибирає дані, які вважає більш достовірними і точними. Це особливо актуально при активному радіоелектронному протидії - глушіння чи підміну сигналу GPS.
- GSM-модуль обробляє дані геопозиционирования по LBS (базових станцій стільникового зв'язку). Цей спосіб вважається найменш точним і використовується, тільки якщо і GPS, і ГЛОНАСС недоступні.
Таким чином, сучасна система відстеження має потрійну надійність, застосовуючи три системи геопозиционирования окремо. Але, природно, максимальну точність забезпечує саме підтримка GPS / ГЛОНАСС в конструкції трекера.
Застосування в системах моніторингу
На відміну від маяків-закладок системи моніторингу, що застосовуються на комерційному транспорті, здійснюють постійне відстежування місцеположення автомобіля і його поточної швидкості. При такому застосуванні переваги подвійного геопозиционирования GPS / ГЛОНАСС розкриваються ще повніше. Дублювання систем дозволяє:
- підтримувати моніторинг при короткочасних проблеми з прийомом сигналу від GPS або ГЛОНАСС;
- зберігати високу точність незалежно від напрямку рейсу. Застосовуючи систему на зразок CS Logistic GLONASS PRO, можна впевнено здійснювати рейси від Чукотки до Ростова-на-Дону, зберігаючи повний контроль над транспортом протягом усього маршруту;
- захищати комерційний транспорт від розтину і викрадення. Сервери «Цезар Сателіт» в режимі реального часу отримують інформацію про час і точне місце автомобіля;
- ефективно протидіяти викрадачам. Система зберігає у внутрішній пам'яті максимально можливий обсяг даних навіть при повній відсутності каналу зв'язку з сервером. Інформація починає передаватися при найменшому перериванні глушіння радіоефіру.
Вибираючи систему GPS / ГЛОНАСС, Ви забезпечуєте собі найкращі сервісні та охоронні можливості в порівнянні з системами, що використовують тільки один із способів геопозиционирования.
На сьогоднішній день навігація - річ потрібна і дуже популярна. За останні кілька років навігаційні чіпи в мобільних гаджетах і іншу електроніку стали звичною справою. Існують GPS і ГЛОНАСС навігаційні системи, давайте розберемося, що являє собою кожна з них і вивчимо принципи роботи.
Що таке GPS?
GPS (розшифровується як Global Positioning System, система глобального позиціонування) - система супутникової навігації, яка забезпечує вимірювання відстані, часу і визначає місце розташування у всесвітній системі координат WGS 84. Дана система дозволяє визначати місце розташування і швидкість об'єктів практично в будь-якій точці планети (за винятком приполярних областей ).
Розробка GPS почалася в 1950-і роки минулого століття для Міністерства оборони США, проте зараз технологія використовується не тільки військовими, а й у повсякденному житті. У той час СРСР запустив перший штучний супутник Землі і американські вчені, що спостерігали за цією подією, помітили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу зростає при наближенні супутника і знижується при збільшенні його дистанції. Вони прийшли до висновку, що при наявності інформації про своїх точні координати на Землі можна виміряти положення та швидкість супутника, а знаючи, де знаходиться супутник - обчислити власну швидкість і координати.
Система GPS складається з штучних супутників, які обертаються на середньої орбіті Землі (супутникова система NAVSTAR, розроблена в США), і наземних станцій моніторингу, об'єднаних в загальну мережу. Супутники безперервно передають на Землю навігаційний сигнал, що включає «псевдовипадковий код», дані ефемерид (прогнозовані координати і параметри руху супутника на певний момент часу) і альманаху (дані для обчислення приблизного місця розташування супутника). Цей сигнал приймають абонентські GPS-пристрої, які на підставі отриманих відомостей обчислюють свою геопозіцію.
Один з недоліків технології GPS полягає в низькій швидкості передачі даних (до 50 біт / с) через що процес обчислення координат може займати кілька хвилин. Крім того, система GPS неефективна для визначення координат пристрою, який знаходиться в приміщенні, на території, оточеній високими будівлями, в лісах і парках, тунелях і т.д.
Що таке A-GPS?
Для усунення цих проблем і отримання можливості визначати координати будь-якого мобільного пристрою була створена технологія A-GPS (Assisted GPS). При її використанні GPS-приймач отримує дані не з супутників, а з зовнішніх джерел (як правило, це мережі стільникових операторів), причому розпізнавання сигналу A-GPS може тривати менше 2 секунд.
Авторами ідеї створення A-GPS стали інженери Джимі Сеннота і Ральф Тейлор, які в 1981 році запатентували свою розробку. Система була представлена \u200b\u200bв жовтні 2001 року в США, де почала використовуватися по мережі служби порятунку 911.
A-GPS складається з вбудованого GPS приймача і мережевих компонентів мобільної мережі. Для A-GPS передбачено два режими: A-GPS Online (основний) і A-GPS Offline (допоміжний). Перший дозволяє отримати інформацію про координати супутників при необхідності швидкого визначення геопозіціі, якщо GPS-приймач не функціонувала більше 2 годин. Другий режим прискорює час «гарячого» і «холодного» старту GPS-приймача. A-GPS-приймач оновлює альманах, ефемериди і список видимих \u200b\u200bсупутників.
Незважаючи на свою ефективність, технологія A-GPS має ряд мінусів, зокрема, функція прискореного старту не працює поза зоною дії мережі. Деякі приймачі з підтримкою A-GPS об'єднані з радіомодулем GSM і не можуть стартувати, якщо останній відключений. При цьому A-GPS приймач може стартувати без покриття GSM (GPRS). При старті модулі A-GPS споживають мало трафіку (5-7 КБ), але в разі втрати сигналу буде потрібно повторна синхронізація, що спричинить за собою підвищені енерговитрати, особливо при знаходженні в роумінгу.
Що таке ГЛОНАСС?
В даний час в світі існують дві супутникові навігаційні системи - описана вище GPS і ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). По суті остання є російським варіантом GPS. За аналогією з GPS ГЛОНАСС визначає тривимірні координати (широта, висота, довгота) по всьому світу.
Початок розробки на той час радянської супутникової системи датується груднем 1976 року. У жовтні 1982 року зі висновком на орбіту ГЛОНАСС супутника «Ураган» почалося перше тестування системи. Спочатку вона замислювалася для військових потреб, але згодом стала використовуватися і для цивільних цілей. Зараз ГЛОНАСС приймачами оснащуються цивільні / військові кораблі і літаки, громадський транспорт, автомобілі екстрених служб і т.д. Сигнали ГЛОНАСС приймають не тільки GPS-приймачі, бортові навігатори, але і мобільні телефони. Дані про стан, швидкості і напрямку руху через мережу GSM-оператора відправляються на сервер збору даних.
Громадянське застосування системи ГЛОНАСС стартувало в 1993 році, в 1995 році на орбіту було запущено 24 супутники, а в 2010 році їх число зросло до 26. На розробку системи в період з 2012 по 2020 роки російський уряд виділив 320 млрд рублів, спрямованих у тому числі на створення 15 супутників «ГЛОНАСС-М» і 22 супутників «ГЛОНАСС-К». Робота над системою ГЛОНАСС була завершена в грудні 2015 року.
Супутники ГЛОНАСС обертаються на висоті 19,1 тис. Км над Землею. Приймачі ГЛОНАСС дозволяють визначити горизонтальні (з точністю 50-70 м) і вертикальні координати (70 м), вектор швидкості (з точністю 15 см / сек), час з точністю 0,7 мкс. Система використовує два типи навігаційних сигналів - відкриті зі звичайною точністю і захищені з підвищеною точністю. Перші можуть приймати будь-які приймачі ГЛОНАСС, а другі - виключно авторизовані користувачі, наприклад, обладнання ВС РФ.
Що таке ЕРА-ГЛОНАСС?
«ЕРА-ГЛОНАСС» - російська система екстреного реагування при аваріях та інших надзвичайних ситуаціях на дорозі, що дозволяє в найкоротші терміни проінформувати про подію служби екстреного реагування. «ЕРА-ГЛОНАСС» працює на базі супутникової системи ГЛОНАСС. В експлуатацію комплекс був введений в 2015 році, а з 1 січня 2017 року автовиробники зобов'язані встановлювати дану систему на свої транспортні засоби, що виходять на російський ринок. Дана система скорочує час реагування при аварії та надзвичайні ситуації, що призводить до зниження числа смертей, травматизму на дорогах і підвищення вантажних / пасажирських перевезень.
«ЕРА-ГЛОНАСС» включає в себе два компоненти: інфраструктуру оператора (навігаційно-інформаційна платформа, мережа передачі даних, мережа мобільного оператора) і пристрої, якими обладнуються транспортні засоби. У разі дорожньо-транспортної пригоди (система розпізнає різні типи зіткнення - лобове, бічне або удар ззаду), пристрій визначає ступінь тяжкості аварії, місце розташування потерпілого автомобіля на основі даних супутників систем ГЛОНАСС і / або GPS, встановлює зв'язок з системою «ЕРА-ГЛОНАСС» і передає інформацію про аварію. Сигнал має пріоритетне статусом і передається через будь-якого мобільного оператора з максимально сильним в даному місці сигналом. При цьому, якщо мережа перевантажена телефонними дзвінками, вони можуть бути перервані для передачі сигналу.
Системи супутникової навігації ГЛОНАСС і GPS. Частина 1
Е. Поваляев, С. Хуторний
Системи супутникової навігації ГЛОНАСС і GPS. Частина 1
Пропонуємо Вашій увазі цикл статей, присвячених супутниковим радіонавігаційним системам Глонасс (глобальна навігаційна супутникова система) і GPS (Global Positioning System). У першій статті циклу розглянуті питання побудови і функціонування систем, структура і функції апаратури споживача (приймачів), алгоритми вирішення навігаційного завдання і перспективи розвитку систем.
З давніх часів мандрівники задавалися питанням: як визначити своє місце розташування на Землі? Стародавні мореплавці орієнтувалися по зірках, що вказує напрямок руху: знаючи середню швидкість і час у дорозі, можна було зорієнтуватися в просторі і визначити відстань до кінцевого пункту призначення. Однак погодні умови не завжди були на руку дослідникам, тому збитися з курсу не становило особливих труднощів. З появою компаса завдання істотно спростилася. Мандрівник вже в меншій мірі залежав від погоди.
Ера радіо відкрила нові можливості перед людиною. З появою радіолокаційних станцій, коли стало можливим вимірювати параметри руху і відносне розташування об'єкта по відбитому від його поверхні променю радіолокатора, постало питання про можливість вимірювання параметрів руху об'єкта по випромінюється сигналу. У 1957 році в СРСР група вчених під керівництвом В.А. Котельникова експериментально підтвердила можливість визначення параметрів руху штучного супутника Землі (ШСЗ) за результатами вимірювань допплерівського зсуву частоти сигналу, випромінюваного цим супутником. Але, що найголовніше, була встановлена \u200b\u200bможливість розв'язання оберненої задачі - знаходження координат приймача за вимірюваним доплеровскому зрушення сигналу, випромінюваного з ШСЗ, якщо параметри руху і координати цього супутника відомі. При русі по орбіті супутник випромінює сигнал певної частоти, номінал якої відомий на приймальній стороні (споживач). Положення ШСЗ в кожен момент часу відомо, точніше, його можна обчислити на підставі інформації, закладеної в сигналі супутника. Користувач, вимірюючи частоту прийшов до нього сигналу, порівнює її з еталонною і таким чином обчислює доплеровській зрушення частоти, обумовлений рухом супутника. Вимірювання проводяться безперервно, що дозволяє скласти свого роду функцію зміни частоти Доплера. У певний момент часу частота стає рівною нулю, а потім змінює знак. У момент рівності нулю частоти Доплера споживач знаходиться на лінії, яка є нормаллю до вектору руху супутника. Використовуючи залежність крутизни кривої доплеровской частоти від відстані між споживачем і ШСЗ і вимірявши момент часу, коли частота Доплера дорівнює нулю, можна обчислити координати споживача.
Таким чином, штучний супутник Землі стає радіонавігаційної опорної станцією, координати якої змінюються в часі внаслідок руху супутника по орбіті, але заздалегідь можуть бути обчислені для будь-якого моменту часу завдяки ефемеридної інформації, закладеної в навігаційному сигналі супутника.
У 1958-1959 рр. в Ленінградській військово-повітряної інженерної академії (ЛВВІА) ім. А.Ф. Можайського, Інституті теоретичної астрономії АН СРСР, Інституті електромеханіки АН СРСР, двох морських НДІ і Горьківському НІРФІ проводилися дослідження по темі "Супутник", що стали згодом основою для побудови першої вітчизняної низькоорбітального навігаційної супутникової системи "Цикада". І в 1963 році почалися роботи з побудови цієї системи. У 1967 році на орбіту був виведений перший вітчизняний навігаційний супутник "Космос-192". Характерною рисою радіонавігаційних супутникових систем першого покоління є застосування низькоорбітальних ШСЗ та використання для вимірювання навігаційних параметрів об'єкта сигналу одного, видимого в даний момент супутника. Надалі супутники системи "Цикада" були обладнані приймальні апаратурою виявлення терплять лиха об'єктів.
Паралельно з цим, після успішного запуску СРСР першого штучного супутника землі, в США в Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса проводяться роботи, пов'язані з можливістю вимірювання параметрів сигналу, випромінюваного супутником. За вимірами обчислюються параметри руху супутника щодо наземного пункту спостереження. Рішення оберненої задачі - справа часу.
На основі цих досліджень в 1964 році в США створюється доплеровская супутникова радіонавігаційна система першого покоління "Transit". Основне її призначення - навігаційне забезпечення пуску з підводних човнів балістичних ракет Поларіс. Батьком системи вважається директор Лабораторії прикладної фізики Р. Кершнер. Для комерційного використання система стає доступною в 1967 р Так само, як і в системі "Цикада", в системі "Transit" координати джерела обчислюються по доплеровскому зрушенню частоти сигналу одного з 7 видимих \u200b\u200bсупутників. ШСЗ систем мають кругові полярні орбіти з висотою над поверхнею Землі ~ 1100 км, період обертання супутників "Transit" дорівнює 107 хвилинам. Точність обчислення координат джерела в системах першого покоління значною мірою залежить від похибки визначення швидкості джерела. Так, якщо швидкість об'єкта визначена з похибкою 0,5 м, то це в свою чергу призведе до помилки визначення координат ~ 500 м. Для нерухомого об'єкту ця величина зменшується до 50 м.
Крім того, в цих системах неможливий безперервний режим роботи. З огляду на те, що системи нізкоорбітни, час, протягом якого супутник знаходиться в полі видимості споживача, не перевищує однієї години. Крім того, час між проходженням різних супутників зони видимості споживача залежить від географічної широти, на якій він знаходиться, і може скласти величину від 35 до 90 хвилин. Зменшення цього інтервалу шляхом нарощування числа супутників неможливо, тому що всі супутники випромінюють сигнали на одній і тій же частоті.
Отже, супутникові навігаційні системи другого покоління мають ряд суттєвих недоліків. В першу чергу - недостатня точність визначення координат динамічних об'єктів. До недоліку можна віднести також відсутність безперервності в вимірах.
Однією з основних проблем, що виникають при створенні супутникових систем, що забезпечують навігаційні визначення по декількох супутниках, є взаємна синхронізація сигналів (шкал часу) супутників з необ-ходимо точністю. Неузгодженість опорних генераторів супутників на 10 нс призводить до помилки у визначенні координат споживача 10-15 м. Другою проблемою, з якою зіткнулися розробники при створенні високоорбітальних супутникових навігаційних систем, стало високоточне визначення і прогнозування параметрів орбіт ШСЗ. Апаратура приймача, вимірюючи затримки сигналів від різних супутників, обчислює координати споживача.
Для цих цілей в 1967 році ВМС США була розроблена програма, по якій був здійснений запуск супутника TIMATION-I, а в 1969 році - супутника TIMATION-II. На борту цих супутників використовувалися кварцові генератори. У той же час, ВПС США паралельно вели свою програму по використанні широкосмугових сигналів, модульованих псевдошумовим кодом (PRN). Кореляційні властивості такого коду дозволяють використовувати одну частоту сигналу для всіх супутників, з кодовим поділом сигналів від різних супутників. Пізніше, в 1973 році дві програми були об'єднані в одну загальну під назвою "Navstar-GPS". До 1996 року розгортання системи було завершено. В даний момент доступно 28 активних супутників.
В СРСР льотні випробування високоорбітальних супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС почалися в 1982 році запуском супутника "Космос-1413". Основним розробником і творцем по системі в цілому і по космічному сегменту є НВО прикладної механіки (м Красноярськ), а по навігаційним космічним апаратам - ПО "Політ" (м.Київ). Головним розробником радіотехнічних комплексів є РНІІКП; відповідальним за створення тимчасового комплексу, системи синхронізації і навігаційної апаратури споживачів визначено Російський інститут радіонавігації і часу.
Мережева радіонавігаційна супутникова система (СРНСС) Глонасс
Система ГЛОНАСС призначена для глобальної оперативної навігації приземних рухомих об'єктів. СРНСС розроблена на замовлення Міністерства Оборони. За своєю структурою Глонасс так само, як і GPS, вважається системою подвійної дії, тобто може використовуватися як у військових, так і в цивільних цілях.
Система в цілому включає в себе три функціональні частини (у фаховій літературі ці частини називаються сегментами) (рис. 1).
Малюнок 1. Сегменти високоорбітальних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS
- космічний сегмент, в який входить орбітальне угруповання штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);
- сегмент управління, наземний комплекс управління (НКУ) орбітальної угрупованням космічних апаратів;
- апаратура користувачів системи.
З цих трьох частин остання, апаратура користувачів, найчисленніша. Система ГЛОНАСС є беззапитним, тому кількість споживачів системи не має значення. Крім основної функції - навігаційних визначень, - система дозволяє виробляти високоточну взаємну синхронізацію стандартів частоти і часу на віддалених наземних об'єктах і взаємну геодезичну прив'язку. Крім того, з її допомогою можна проводити визначення орієнтації об'єкта на основі вимірів, вироблених від чотирьох приймачів сигналів навігаційних супутників.
В системі Глонасс як радіонавігаційної опорної станції використовуються навігаційні космічні апарати (НКА), що обертаються по круговій геостаціонарній орбіті на висоті ~ 19100 км (рис. 2). Період обертання супутника навколо Землі дорівнює, в середньому, 11 годин 45 хвилин. Час експлуатації супутника - 5 років, за цей час параметри його орбіти не повинні відрізнятися від номінальних значень більше ніж на 5%. Сам супутник являє собою герметичний контейнер діаметром 1,35 м і довжиною 7,84 м, всередині якого розміщується різного роду апаратура. Харчування всіх систем проводиться від сонячних батарей. Загальна маса супутника - 1415 кг. До складу бортової апаратури входять: бортовий навігаційний передавач, хронізатора (годинник), бортовий керуючий комплекс, система орієнтації і стабілізації і так далі.
Малюнок 2. Космічний сегмент систем ГЛОНАСС і GPS
Малюнок 3. Сегмент наземного комплексу управління системи Глонасс
Малюнок 4. Сегмент наземного комплексу управління системи GPS
Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС виконує наступні функції:
- ефемеридних і частотно-часове забезпечення;
- моніторинг радіонавігаційного поля;
- радиотелеметрический моніторинг НКА;
- командне і програмне радіоуправління НКА.
Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовуються цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю порядку 10-13. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт з відносною нестабільністю 10-14. Крім того, до складу ПКУ входять засоби корекції шкал часу супутників відносно встановленої шкали з похибка 3-5 нс.
Наземний сегмент забезпечує ефемеридних забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на заздалегідь визначений проміжок часу. Параметри і їх прогноз закладаються в навігаційне повідомлення, передане супутником поряд з передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-часові поправки бортовий шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання і прогноз параметрів руху НКА виробляються в балістичних центрі системи за результатами траєкторних вимірювань дальності до супутника і його радіальної швидкості.
Мережева радіонавігаційна супутникова система GPS
Американська система GPS за своїми функціональними можливостями аналогічна вітчизняній системі ГЛОНАСС. Її основне призначення - високоточне визначення координат споживача, складових вектора швидкості, і прив'язка до системної шкалою часу. Аналогічно вітчизняної, система GPS розроблена для Міністерства Оборони США і знаходиться під його керуванням. Згідно интерфейсному контрольному документу, основними розробниками системи є:
- по космічному сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
- по сегменту управління - IBM, Federal System Company;
- по сегменту споживачів - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.
Як і система ГЛОНАСС, GPS складається з космічного сегмента, наземного командно-вимірювального комплексу і сегмента споживачів.
Як було сказано вище, орбітальне угруповання GPS складається з 28 навігаційних космічних апаратів. Всі вони знаходяться на кругових орбітах з періодом обертання навколо Землі, рівним 12 годинам. Висота орбіти кожного супутника дорівнює ~ 20000 км. НКА системи GPS проходили ряд удосконалень, які позначалися на їх характеристиках в цілому. У табл. 1 наведені короткі характеристики космічних апаратів, які використовуються в системі.
Таблиця 1. Характеристики космічних апаратів, які використовуються в системі GPS
| Тип НКА | Маса на орбіті | Потужність енергоджерел, Вт | Розрахунковий термін активного існування | Рік запуску першого НКА |
| Блок-I | 525 | 440 | - | 1978 |
| Блок-II | 844 | 710 | 5 | 1989 |
| Блок-IIR | 1094 | 1250 | 7,5 | 1997 |
| Блок-IIF | - | - | 14–15 | 2001–2002 |
Таблиця 2. Порівняльні характеристики систем ГЛОНАСС і GPS
| показник | ГЛОНАСС | GPS |
| Число КА в повній орбітальної угруповання | 24 | 24 |
| Число орбітальних площин | 3 | 6 |
| Число КА в кожній площині | 8 | 4 |
| нахил орбіти | 64,8º | 55º |
| Висота орбіти, км | 19 130 | 20 180 |
| Період обертання супутника | 11 ч. 15 хв. 44 з | 11 ч. 58 хв. 00 з |
| Система координат | ПЗ-90 | WGS-84 |
| Маса навігаційного КА, кг | 1450 | 1055 |
| Потужність сонячних батарей, Вт | 1250 | 450 |
| Термін активного існування, років | 3 | 7,5 |
| Засоби виведення КА на орбіту | "Протон-К / ДМ" | Delta 2 |
| Число КА, що виводяться за один запуск | 3 | 1 |
| космодром | Байконур (Казахстан) | Мис Канаверел (Cape Canaveral) |
| еталонне час | UTC (SU) | UTC (NO) |
| метод доступу | FDMA | CDMA |
| Несуща частота: L1 L2 |
1598,0625-1604,25 7/9 L1 |
1575,42 60/77 L1 |
| поляризація | правобічна | правобічна |
| Тип псевдошумовой послідовності | m-послідовність | код Голда |
| Число елементів коду: C / A P |
511 51 1000 |
1023 2,35x1014 |
| Швидкість кодування, Мбіт / с: C / A P |
0,511 5,11 |
1,023 10,23 |
| Рівень внутрішньосистемних радіоперешкод, дБ | -48 | -21,6 |
| Структура навігаційного повідомлення | ||
| Швидкість передачі, біт / с | 50 | 50 |
| вид модуляції | BPSK (Манчестер) | BPSK NRZ |
| Довжина суперкадра, хв. | 2,5 (5 кадрів) | 12,5 (25 кадрів) |
| Довжина кадру, з | 30 (15 рядків) | 30 (5 рядків) |
| Довжина рядка, з | 2 | 6 |
При проектуванні системи в цілому і НКА зокрема, велика увага приділяється питанням автономного функціонування. Так, космічні апарати першого покоління (Блок-I) забезпечували нормальну роботу системи (мається на увазі, без істотних помилок визначення координат) без втручання сегмента управління протягом 3-4 днів. В апаратах Блок-II цей термін був збільшений до 14 днів. У новій модифікації НКА Блок-IIR дозволяє автономно працювати протягом 180 днів без коригування параметрів орбіти з землі, користуючись лише автономним комплексом взаємної син-хронізації супутників. Апарати Блок-IIF передбачається використовувати замість відпрацьованих Блок-IIR.
Структура навігаційних радіосигналів системи Глонасс
В системі Глонасс використовується частотне розділення сигналів (FDMA), випромінюваних кожним супутником - двох фазоманіпулірованних сигналів. Частота першого сигналу лежить в діапазоні L1 ~ 1600 МГц, а частота другого - в діапазоні L2 ~ 1250 МГц. Номінальні значення робочих частот радіосигналів, що передаються в діапазонах L1 і L2, визначаються виразом:
f k1 \u003d f 1 + kD f 1
f k2 \u003d f 2 + kD f 2 k \u003d 0,1, ..., 24, (1)
де k \u003d 0,1, ..., 24 - номера литеров (каналів) робочих частот супутників;
f 1 \u003d тисячі шістсот дві МГц; D f 1 \u003d 9/16 \u003d 0,5625 МГц;
f 2 \u003d 1 246 МГц; D f 2 \u003d 7/16 \u003d 0,4375 МГц.
Для кожного супутника робочі частоти сигналів в діапазоні L1 і L2 когерентність і формуються від єдиного зразка частоти. Ставлення робочих частот несучої кожного супутника:
D f k1 / D f k2 \u003d 7/9.
Номінальне значення частоти бортового генератора, з точки зору спостерігача, що знаходиться на поверхні Землі, так само 5,0 MГц.
В діапазоні L1 кожен супутник системи Глонасс випромінює 2 несучі на одній і тій же частоті, зрушені один щодо одного по фазі на 90º (рис. 5).
Малюнок 5. Векторна діаграма несучих сигналів систем ГЛОНАСС і GPS
Одна з несучих піддається фазової маніпуляції на 180º. Модулюючий сигнал отримують складанням по модулю 2 трьох довічних сигналів (рис. 6):
- грубого далекомірного коду, переданого зі швидкістю 511 Кбіт / с (рис. 6в);
- послідовності навігаційних даних, що передаються зі швидкістю 50 біт / с (рис. 6а);
- меандрового коливання, переданого зі швидкістю 100 біт / с (рис. 6б).
Малюнок 6. Структура сигналу ГЛОНАСС
Сигнал в діапазоні L1 (аналогічний C / A-коду в GPS) доступний для всіх споживачів в зоні видимості КА. Сигнал в діапазоні L2 призначений для військових потреб, і його структура не розкривається.
Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи ГЛОНАСС
Навігаційне повідомлення формується у вигляді безперервно наступних рядків, кожна тривалістю 2 с. У першій частині рядка (інтервал 1,7 с) передаються навігаційні дані, а в другій (0,3 с) - Метка Часу. Вона являє собою скорочену псевдослучайную послідовність, що складається з 30 символів з тактовою частотою 100 біт / с.
Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС необхідні споживачам для навігаційних визначень і планування сеансів зв'язку з супутниками. За своїм змістом навігаційні повідомлення діляться на оперативну і Неоперативне інформацію.
Оперативна інформація відноситься до супутника, з сигналу якого вона була отримана. До оперативної інформації відносять:
- оцифровку міток часу;
- відносне відміну несучої частоти супутника від номінального значення;
- ефемеридна інформація.
Час прив'язки ефемеридної інформації і частотно-часові поправки, які мають півгодинну кратність від початку доби, дозволяють точно визначати географічні координати і швидкість руху супутника.
Неоперативна інформація містить альманах, що включає:
- дані про стан всіх супутників системи;
- зсув шкали часу супутника щодо шкали системи;
- параметри орбіт всіх супутників системи;
- поправку до шкали часу системи Глонасс.
Вибір оптимального "сузір'я" КА і прогнозу доплерівського зсуву несучої частоти забезпечується за рахунок аналізу альманаху системи.
Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС структуровані у вигляді суперкадрів тривалістю 2,5 хв. Суперкадр складається з п'яти кадрів тривалістю 30 с. Кожен кадр містить 15 рядків тривалістю 2 с. З 2 з тривалості рядки останні 0,3 с займає мітка часу. Інша частина рядка містить 85 символів цифрової інформації, що передаються з частотою 50 Гц.
У складі кожного кадру передається повний обсяг оперативної інформації і частина альманаху системи. Повний альманах міститься в усьому суперкадрі. При цьому інформація суперкадра, що міститься в рядках 1-4, відноситься до того супутнику, з якого вона надходить (оперативна частина), і не змінюється в межах суперкадра.
Структура навігаційних радіосигналів системи GPS
В системі GPS використовується кодове розділення сигналів (СDMA), тому всі супутники випромінюють сигнали з однаковою частотою. Кожен супутник системи GPS випромінює два фазоманіпулірованних сигналу. Частота першого сигналу становить L1 \u003d 1575,42 МГц, а другого - L2 \u003d 1227,6 МГц. Сигнал несучої частоти L1 модулюється двома двійковими послідовностями, кожна з яких утворена шляхом підсумовування по модулю 2 далекомірного коду і переданих системних і навігаційних даних, що формуються зі швидкістю 50 біт / с. На частоті L1 передаються дві квадратурні компоненти, біфазної маніпульовані двійковими послідовностями. Перша послідовність є сумою по модулю 2 точного далекомірного коду Р або засекреченого коду Y і навігаційних даних. Друга послідовність також є сумою по модулю 2 грубого З / A (відкритого) коду і тій же послідовності навігаційних даних.
Радіосигнал на частоті L2 біфазної маніпулювати тільки однієї з двох раніше розглянутих послідовностей. Вибір модулирующей послідовності здійснюється по команді з Землі.
Кожен супутник використовує властиві тільки йому дальномірні коди С / A і Р (Y), що і дозволяє розділяти супутникові сигнали. У процесі формування точного далекомірного Р (Y) коду одночасно формуються мітки часу супутникового сигналу.
Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи GPS
Структурний розподіл навігаційної інформації супутників системи GPS здійснюється на Суперкадр, кадри, підкадрів і слова. Суперкадр утворюється з 25 кадрів і займає 750 с (12,5 хв). Один кадр передається протягом 30 с і має розмірі 1500 біт. Кадр розділений на 5 підкадрів по 300 біт і передається протягом інтервалу 6 с. Початок кожного підкадрів позначає мітку часу, відповідну початку / закінчення чергового 6-з інтервалу системного часу GPS. Підкадрів складається з 10 30-біт слів. У кожному слові 6 молодших розрядів є перевірочними бітами.
В 1-, 2- і 3-м підкадрів передаються дані про параметри корекції годин і дані ефемерид КА, з яким встановлено зв'язок. Зміст і структура цих підкадрів залишаються незмінними на всіх сторінках суперкадра. У 4- і 5-м підкадрів міститься інформація про конфігурацію та стан всіх КА системи, альманахи КА, спеціальні повідомлення, параметри, що описують зв'язок часу GPS з UTC, та інше.
Алгоритми прийому та вимірювання параметрів супутникових радіонавігаційних сигналів
До сегменту споживачів систем GPS і ГЛОНАСС відносяться приймачі сигналів супутників. За вимірами параметрів цих сигналів вирішується навігаційна завдання. Приймач можна розділити на три функціональні частини:
- радіочастотну частина;
- цифровий ~ коррелятор;
- процесор.
З виходу антенно-фідерного пристрою (антени) сигнал надходить на радіочастотну частина (рис. 7). Основне завдання цієї частини полягає в посиленні вхідного сигналу, фільтрації, перетворенні частоти і аналого-цифровому перетворенні. Крім цього, з радіочастотної частини приймача надходить тактова частота для цифрової частини приймача. З виходу радіочастотної частини цифрові відліки вхідного сигналу надходять на вхід цифрового коррелятора.
Малюнок 7. Узагальнена структура приймача
У коррелятора спектр сигналу переноситься на "нульову" частоту. Це проводиться шляхом перемноження вхідного сигналу коррелятора з опорним гармонійним коливанням в синфазном і квадратурного каналах. Далі результат перемноження проходить кореляційну обробку шляхом перемноження з опорним далекомірним кодом і накопиченням на періоді далекомірного коду. У підсумку отримуємо кореляційні інтеграли I і Q. відліку кореляційних інтегралів надходять в процесор для подальшої обробки і замикання петель ФАП (фазова автопідстроювання) і ССЗ (схема стеження за затримкою). Вимірювання параметрів сигналу в приймачі проводяться не безпосередньо по вхідному сигналу, а по його точної копії, що формується системами ФАП і ССЗ. Кореляційні інтеграли I і Q дозволяють оцінити ступінь "схожості" (коррелированности) опорного і вхідного сигналів. Завдання коррелятора, крім формування інтегралів I і Q, - формувати опорний сигнал, згідно з керуючими впливами (кодами управління), які надходять з процесора. Крім того, в деяких приймачах коррелятор формує необхідні вимірювання опорних сигналів і передає їх в процесор для подальшої обробки. У той же час, так як опорні сигнали в коррелятора формуються по керуючим кодами, що надходять з процесора, то необхідні вимірювання опорних сигналів можна проводити безпосередньо в процесорі, обробляючи відповідним чином керуючі коди, що і робиться в багатьох сучасних приймачах.
Які параметри сигналу вимірює коррелятор (процесор)?
Дальність при радіотехнічних вимірах характеризується часом поширення сигналу від об'єкта вимірювання до вимірювального пункту. У навігаційних системах GPS / ГЛОНАСС випромінювання сигналів синхронізовано зі шкалою часу системи, точніше, зі шкалою часу супутника, що випромінює даний сигнал. У той же час, споживач має інформацію про розбіжність шкали часу супутника і системи. Цифрова інформація, передана із супутника, дозволяє встановити момент випромінювання деякого фрагмента сигналу (мітки часу) супутником в системному часу. Момент прийому цього фрагмента визначається за шкалою часу приймача. Шкала часу приймача (споживача) формується за допомогою кварцових стандартів частоти, тому спостерігається постійний "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. Різниця між моментом прийому фрагмента сигналу, відрахувавши за шкалою часу приймача, і моментом випромінювання його супутником, відрахувавши за шкалою супутника, помножена на швидкість світла, називається псевдодальністю. Чому псевдодальністю? Тому що вона відрізняється від істинної дальності на величину, що дорівнює добутку швидкості світла на "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. При вирішенні навігаційної задачі цей параметр визначається нарівні з координатами споживача (приймача).
Кореляційні інтеграли, що формуються в коррелятора, дозволяють відстежити модуляцію сигналу супутника символами інформації і обчислити мітку часу у вхідному сигналі. Мітки часу слідують з періодичністю 6 с для GPS і 2 с для ГЛОНАСС і утворюють своєрідну 6 (2) -секундную шкалу. В межах одного поділу цієї шкали періоди далекомірного коду утворюють 1-мс шкалу. Одна мілісекунда розділена, в свою чергу, на окремі елементи (chips, в термінології GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким чином, елементи далекомірного коду дозволяють визначити дальність до супутника з похибкою ~ 300 м. Для більш точного визначення необхідно знати фазу генератора далекомірного коду. Схеми побудови опорних генераторів коррелятора дозволяють визначати його фазу з точністю до 0,01 періоду, що становить точність визначення псевдо 3 м.
На підставі вимірів параметрів опорного гармонійного коливання, що формується системою ФАП, визначають частоту і фазу несучого коливання супутника. Його відхід щодо номінального значення дасть доплеровское зміщення частоти, за яким оцінюється швидкість споживача щодо супутника. Крім того, фазові вимірювання несучої дозволяють уточнити дальність до супутника з похибкою в кілька мм.
Для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника. Для того, щоб споживач міг визначити координати супутників, які випромінює ними навігаційні сигнали моделюються повідомленнями про параметри їх руху. В апаратурі споживача відбувається виділення цих повідомлень і визначення координат супутників на потрібний момент часу.
Координати і складові вектора швидкості змінюються дуже швидко, тому повідомлення про параметри руху супутників містять відомості не про їх координатах і складових вектора швидкості, а інформацію про параметрах деякої моделі, апроксимуючої траєкторію руху КА на досить великому інтервалі часу (близько 30 хвилин). Параметри апроксимуючої моделі змінюються досить повільно, і їх можна вважати постійними на інтервалі апроксимації.
Параметри апроксимуючої мо-діли входять до складу навігаційних повідомлень супутників. В системі GPS використовується кеплерівської модель руху з оскулюючих елементами. У цьому випадку траєкторія польоту КА розбивається на ділянки апроксимації тривалістю в одну годину. У центрі кожної ділянки задається вузловий момент часу, значення якого повідомляється споживачеві навігаційної інформації. Крім цього, споживачеві повідомляють параметри моделі оскулюючих елементів на вузловий момент часу, а також параметри функцій, що апроксимують зміни параметрів моделі оскулюючих елементів в часі як попередньому вузловому елементу, так і наступному за ним.
В апаратурі споживача виділяється інтервал часу між моментом часу, на який потрібно визначити положення супутника, і вузловим моментом. Потім за допомогою апроксимуючих функцій та їх параметрів, виділених з навігаційного повідомлення, обчислюються значення параметрів моделі оскулюючих елементів на потрібний момент часу. На останньому етапі за допомогою звичайних формул кеплеровской моделі визначають координати і складові вектора швидкості супутника.
В системі Глонасс для визначення точного положення супутника використовуються диференціальні моделі руху. У цих моделях координати і складові вектора швидкості супутника визначаються чисельним інтеграцією диференціальних рівнянь руху КА, що враховують кінцеве число сил, що діють на КА. Початкові умови інтегрування задаються на вузловий момент часу, що розташовується посередині інтервалу апроксимації.
Як було сказано вище, для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника, яка визначається в навігаційному приймачі з точністю близько 1 м. Для зручності розглянемо найпростіший "плоский" випадок, представлений на рис . 8.
Малюнок 8. Визначення координат споживача
Кожен супутник (рис. 8) можна представити у вигляді точкового випромінювача. В цьому випадку фронт електромагнітної хвилі буде сферичним. Точкою перетину двох сфер буде та, в якій знаходиться споживач.
Висота орбіт супутників становить порядок 20000 км. Отже, другу точку перетину кіл можна відкинути через апріорних відомостей, так як вона знаходиться далеко в космосі.
Диференціальний режим
Супутникові навігаційні системи дозволяють споживачеві отримати координати з точністю близько 10-15 м. Однак для багатьох завдань, особливо для навігації в містах, потрібна велика точність. Один з основних методів підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта заснований на застосуванні відомого в радіонавігації принципу диференціальних навігаційних вимірювань.
Диференціальний режим DGPS (Differential GPS) дозволяє встановити координати з точністю до 3 м в динамічної навігаційної обстановці і до 1 м - в стаціонарних умовах. Диференціальний режим реалізується за допомогою контрольного GPS-приймача, званого опорної станцією. Вона розташовується в пункті з відомими координатами, в тому ж районі, що і основний GPS-приймач. Порівнюючи відомі координати (отримані в результаті прецизійної геодезичної зйомки) з виміряними, опорна станція обчислює поправки, які передаються споживачам по радіоканалу в заздалегідь обумовленому форматі.
Апаратура споживача приймає від опорної станції диференціальні поправки і враховує їх при визначенні місцезнаходження споживача.
Результати, отримані за допомогою диференціального методу, в значній мірі залежать від відстані між об'єктом і опорної станцією. Застосування цього методу найбільш ефективно, коли переважаючими є систематичні помилки, обумовлені зовнішніми (по відношенню до приймача) причинами. За експериментальними даними, опорну станцію рекомендується розташовувати не далі 500 км від об'єкту.
В даний час існують безліч широкозонних, регіональних і локальних диференціальних систем.
Як широкозонних варто відзначити такі системи, як американська WAAS, європейська EGNOS і японська MSAS. Ці системи використовують геостаціонарні супутники для передачі поправок всім споживачам, що знаходяться в зоні їх покриття.
Регіональні системи призначені для навігаційного забезпечення окремих ділянок земної поверхні. Зазвичай регіональні системи використовують у великих містах, на транспортних магістралях і судноплавних річках, в портах і по березі морів і океанів. Діаметр робочої зони регіональної системи зазвичай становить від 500 до 2000 км. Вона може мати в своєму складі одну або кілька опорних станцій.
Локальні системи мають максимальний радіус дії від 50 до 220 км. Вони включають зазвичай одну базову станцію. Локальні системи зазвичай поділяють за способом їх застосування: морські, авіаційні та геодезичні локальні диференціальні станції.
Розвиток супутникової навігації
Загальний напрямок модернізації обох супутникових систем GPS і ГЛОНАСС пов'язано з підвищенням точності навігаційних визначень, поліпшенням сервісу, що надається користувачам, підвищенням терміну служби і надійністю бортової апаратури супутників, поліпшенням сумісності з іншими радіотехнічними системами і розвитком диференціальних підсистем. Загальний напрямок розвитку систем GPS і ГЛОНАСС збігається, але динаміка і досягнуті результати сильно відрізняються.
Удосконалення системи ГЛОНАСС планується здійснювати на базі супутників нового покоління "ГЛОНАСС-М". Цей супутник буде володіти збільшеним ресурсом служби і стане випромінювати навігаційний сигнал в діапазоні L2 для цивільних застосувань.
Аналогічне рішення було прийнято в США, де 5 січня 1999 року проголошено про виділення 400 млн. Дол. На модернізацію системи GPS, пов'язану з передачею C / A-коду на частоті L2 (1222,7 МГц) і введенням третьої несучої L3 (1176, 45 МГц) на КА, які будуть запускатися з 2005 року. Сигнал на частоті L2 намічено використати для цивільних потреб, не пов'язаних безпосередньо з небезпекою для життя людей. Пропонується почати реалізацію цього рішення з 2003 року. Третій цивільний сигнал на частоті L3 вирішено використовувати для потреб цивільної авіації.
література
- Радіотехнічні системи. Під ред. Казарінова Ю.М. М .: Вища школа, 1990..
- Соловйов Ю.А. Системи супутникової навігації. М .: Еко-Трендз, 2000..
- Глобальна супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.І. Перова, В.А. Болдіна. М .: ІПРЖР, 1998..
- Ліпкин І.А. Супутникові навігаційні системи. М .: Вузівська книга, 2001..
- Глобальна навігаційна супутникова система ГЛОНАСС. Інтерфейсний контрольний документ. М .: кницами ВКС, 1995.
- Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.
