Загальне уявлення про системи супутникової навігації. Супутникові навігаційні системи світу Інформаційні системи супутникової навігації

ВСТУП

Використовуючи Систему Глобального Позиціонування (GPS процес використовується для визначення координат у будь-якій точці світу), наступні два значення визначають точку Землі (рис.1):

1. Перше – точне розташування (координати довготи, широти та висоти) забезпечується в діапазоні від 20 м до 1 мм.

2. Прецизійний час (UTC), його точність лежить у діапазоні від 60 нс до 5 нс.

Швидкість та напрямок руху можна отримати з цих координат. Значення координат та часу визначаються у вигляді супутників Землі.

Рис.1 Основна функція супутникової навігації

У 2007 році Система глобального позиціонування (GPS),

розроблена United States Department of Defense (DoD) була єдиною повноцінною робочою системою GNSS. Промисловість супутникової навігації, що швидко розвивається, зосереджена в основному на GPS системі, ось чому терміни GPS і супутникова навігація іноді підмінюють один одного. Цей документ розгляне й інші системи GNSS.

GPS(повна назва: Система навігації та глобального позиціонування, NAVSTARGPS) була розроблена U.S. Department of Defense (DoD) і може використовуватись як цивільними, так і військовими. Цивільний сигнал SPS (стандартне позиціонування) може використовуватись усіма, тоді як військовий сигнал PPS(прецизійне позиціонування) може використовуватися лише спеціальними агентами. Перший супутник було поміщено орбіту 22 лютого 1978 р., нині є 28 робочих супутників на висоті 20 180 км на 6 різних орбітах. Їхні орбіти відхиляються на 55 0 до екватора, при цьому останні 4 супутники забезпечують радіозв'язок з будь-якою точкою планети. Орбіта кожного супутника Землі становить приблизно 12 годин, і він має 4 атомні синхронізатори на платі

Під час розробки системи GPS основний акцент було зроблено на трьох аспектах:

1. Вона має забезпечити споживачів можливістю визначати позицію, швидкість і час у русі чи спокої.

2. Вона повинна забезпечувати безперервне 3-мірне позиціонування з високим ступенем точності, незалежно від погоди.

3. Вона має мати можливість використання цивільним населенням.

Основи супутникової навігації	Вступ

Через п'ять або шість років з'явиться три незалежні доступні GNSS системи. США продовжить забезпечувати GPS Росію та Європейський Союз, які також додадуть свої системи GLONASS та GLILEO. Всі ці системи будуть модернізовані з метою підвищення надійності та

доступності для нових програм2.

також будуть розглянуті такі розробки як Differential-GPS (DGPS), Assisted-GPS (AGPS) та

інтерфейси пристрою у різних розділах. Все це зроблено з метою забезпечити читача фундаментальною інформацією про таку захоплюючу область.

Рис. 2 Запуск GPS супутника

1 Супутникова навігація – це просто

Якщо вам подобається. . .

o розуміти, як визначається відстань до блискавки

o розуміти, як працюють основні функції супутникової навігації

o знати, як багато атомних синхронізаторів стоїть на платі GPS супутника o знати, як визначити позицію на карті

o розуміти, чому необхідно 4 супутники для забезпечення позиціонування тоді цей розділ для Вас!

1.1 Принцип виміру транзитного часу сигналу

Якийсь час протягом грозової ночі Ви, безсумнівно, намагалися зрозуміти, наскільки далеко Ви знаходитесь - по спалаху блискавки. Відстань можна встановити досить легко (Рис. 3): відстань = момент спалаху блискавки (початковий час) до появи грому (кінцевий час), помножений на швидкість звуку (приблизно 330 м/с). Різниця між стартовим та кінцевим часом і є транзитним часом.

Око випереді

Транзитний час

ляє стартовий час

Рис.3 Визначення відстані по спалаху блискавки

Відстань = транзитний час * швидкість звуку

Система GPS функціонує за таким же принципом. Для того щоб обчислити точну позицію, потрібно лише виміряти транзитний час сигналу між точкою спостереження та чотирма іншими супутниками, чиї позиції відомі.

Основи супутникової навігації

1.1.1 Основні принципи супутникової навігації

Усі супутникові навігаційні системи використовують загальні принципи визначення координат:

Супутники з певною позицією передають регулярний сигнал.

Тут ми бачимо принципи, що найчастіше застосовуються в простих моделях. Уявімо, що ми в машині і хочемо визначити своє місцезнаходження на довгій та прямій вулиці. Наприкінці вулиці є радіопередавач, який посилає тактовий імпульс кожну секунду. В автомобілі є годинник, який синхронізований з годинником радіопередавача. Вимірюючи час від передавача до машини, ми можемо визначити нашу позицію на вулиці (Мал. 4).

Поширення

Обчислення позиції

Передавач сигналуза допомогою похибки за часом 1 мкс

Відстань

Рис.4 У найпростішому випадку Відстань визначається часом розповсюдження

Відстань D обчислюється шляхом множення часу розповсюдження на швидкість світла c. D = ∆τ c

Оскільки синхронізація годинника в машині з передавачем неідеальна, існує різниця між обчисленою відстанню і фактичною. У навігації це неправильне значення звучить як псевдодіапазон. У прикладі помилка за часом становить 1 мікросекунду (1мкс) і визначає псевдодіапазон в 300 м.

Ми могли б вирішити цю проблему, оснастивши наш автомобіль точним атомним годинником, але це значно вплине на наш бюджет. Іншим рішенням буде використання другого синхронізованого передавача, відстань до якого відома. Вимірюючи обидва часи поширення, можна точно визначити відстань, незважаючи на неточний бортовий годинник.

Відстань А

З двома передавачами можна обчислити точну позицію незважаючи на помилки за часом

Як видно, щоб точно обчислити позицію та час вздовж лінії (приймаємо, що лінія триває лише в одному напрямку), нам потрібні два передавачі сигналів часу. З цього ми можемо зробити наступний висновок: при несинхронізованих бортових годинниках, використовуваних при розрахунку позиції, необхідно число передавачів сигналів часу, що перевищує кількість невідомих вимірів на одиницю.

На площині (два виміри) нам потрібні три передавачі сигналів часу.

у тривимірному просторі нам потрібні чотири передавачі сигналів часу.

Системи супутникової навігації використовують супутники як передавачі сигналів часу. Зв'язок з останніми 4 супутниками (Рис.6) необхідна визначення тривимірних координат (Довгота, Широта, Висота) протягом усього часу. Ми розглянемо це докладніше у наступних розділах.

4 супутника необхідні для визначення Довготи, Широти, Висоти та Часу

Основи супутникової навігації	Супутникова навігація це просто

1.1.2 Час проходження сигналу

Системи супутникової навігації використовують високо розташовані супутники, які розміщуються таким чином, щоб з будь-якої точки n на землі можна було провести лінію принаймні до чотирьох супутників.

Кожен цих супутників має до чотирьох атомних годинників на борту. Атомний годинник є в даний час найбільш точним інструментом, втрачаючи максимум одну секунду кожні 30,000 з 1,000,000 років. Для того щоб робити їх ще більш точними, роблять корекцію або синхронізацію з різних точок управління на Землі. Кожен супутник передає свою точну позицію та точний час на Землю із частотою 1575.42 МГц. Ці сигнали передаються зі швидкістю світла (300,000 км/с) і, отже, знадобиться приблизно 67,3 мс задля досягнення земної поверхні під супутником. Сигналу потрібно 3,33 на кожний додатковий кілометр. Якщо Ви хочете встановити вашу позицію на землі (або в морі або деінде), все, що Вам потрібно - точний годинник. При порівнянні часу отримання супутникового сигналу з часом надсилання можна визначити транзитний час цього сигналу (Мал. 7).

Рис.7 Визначення транзитного часу сигналу

Як у прикладі з машиною, Відстань D до супутника можна визначити, використовуючи транзитний час: Відстань = час у дорозі * швидкість світла

Основи супутникової навігації	Супутникова навігація це просто

1.1.3 Визначення позиції на карті

Уявіть собі, що ви йдете через велике плато і хочете знати, де ви. Два супутники, розташовані вище Вас передають свої часи на борту та позиції. Використовуючи сигнальний транзитний час обох супутників, Ви можете намалювати два кола з радіусами D1 та D2 навколо супутників. Кожен радіус співвідноситься з відстанню, обчисленою супутником. Всі можливі відстані до супутника розташовані на колі кола. Якщо позиція вище за супутники виключена, позиція приймача - у точці перетину кіл під супутниками (Рис. 8).

Двох супутників достатньо, щоб визначити позицію на площині X/Y.

Рис.8 Позиція приймача у точці перетину двох кіл

Насправді позиція має бути визначена в тривимірному просторі, а не на площині. Відмінність між площиною і тривимірним простором полягає у додатковому вимірі (висота Z), додатковий третій супутник має бути доступний визначення дійсної позиції. Якщо відстані до трьох супутників відомі, всі можливі позиції розташовані на поверхні трьох сфер, чиї радіуси відповідають розрахованим відстаням. Потрібна позиція – місце перетину всіх трьох сфер (Мал. 9).

Рис. 9 Позиція визначається як точка перетину трьох сфер

Основи супутникової навігації	Супутникова навігація це просто

1.1.4 Поява та корекція помилки часу

Ми досі приймали, що вимірювання транзитного часу сигналу було точним. Проте це не так. Приймачу для точного вимірювання часу потрібна синхронізація. Якщо транзитний час має помилку 1 нс – позиційна помилка становитиме 300 м. Годинник на борту всіх трьох супутників синхронізований, при цьому похибка вимірювань транзитного часу складається. Математика є єдиною річчю, яка може допомогти нам. Згадаймо, що, якщо є N невідомих змінних, нам потрібно N незалежних рівнянь.

Якщо вимір часу супроводжується постійною невідомою помилкою, у нас буде чотири невідомі змінні в 3-просторі D:

Довгота(X)

Широта(Y)

Висота (Z)

Помилка часу(∆t)

З цього випливає, що в 3-мірному просторі 4 супутники необхідні для визначення точної позиції.

Супутникові навігаційні системи сконструйовані таким чином, щоб будь-якої точки на Землі було видно як мінімум 4 супутники (Рис.10). Таким чином, незважаючи на похибку годинника приймача і помилок за часом, позиція обчислюється з точністю приблизно 5 - 10 м.

4 супутника необхідні для визначення позиції в 3-D просторі

Основи супутникової навігації	Супутникова навігація це просто

2 GNSS Технологія: Приклад GPS

Якщо вам подобається. . .

o розуміти, чому необхідно 3 різних GPS сегменти o знати, що у кожного сегмента є функція

o знати, як зроблений GPS супутник

o знати, якого роду інформація передається на Землю o розуміти, як генерується сигнал супутника

o розуміти, як визначається транзитний час сигналу o розуміти, яке значення має кореляція

o розуміти, чому необхідний мінімальний період часу GPS для роботи онлайн o знати, що таке фрейми та підфрейми

тоді цей розділ для Вас!

2.1 Опис системи

наступних

розділах

розглянемо

різні

сегменти GNSS технології

Несуча L1

Тактові імпульси -ефімеріс -альманах -стан -дата, час

Сегмент користувача

Рис. 11 Три GNSS сегменти

Прийнятий ефімеріс -обчислений альманах -стан супутника -коригування часу

Від наземної станції

Керуючий сегмент

Як видно з малюнка 11 є односпрямований зв'язок між просторовим сегментом та сегментом користувача. Керуючі станції землі мають двонаправлений зв'язок із супутниками.

2.2 Просторовий сегмент

2.2.1 Переміщення супутника

Просторовий сегмент до теперішнього часу складається з 32 супутників, що діють (Рис. 12) з орбітами в 6 різних площинах (від чотирьох до п'яти супутників у площині). Вони знаходяться на висоті 20180 км над Земною поверхнею і нахилені на 550 до екватора. Кожен супутник здійснює коло по орбіті за 12 годин. Через обертання Землі, супутник буде у своєму початковому положенні (Мал. 13) після приблизно 24 годин (23 години 56 хвилин, щоб бути точним).

«Основи супутникової навігації Теорія та принципи Системи та огляд додатків Назва Основи супутникової навігації Підзаголовок Короткий...»

-- [ Сторінка 1 ] --

Основи супутникової навігації

Теорія та принципи

Системи та огляд додатків

Назва Основи супутникової навігації

Підзаголовок

Короткий посібник

документа

ID документа GPS-X-02007-C

Модифікація Дата Ім'я Статус / Коментарі

SBAS (WAAS, EGNOS)

Оновлення GPS

Високочутливий GPS

AGPS помилки та DOP

UTM-проекція

DGPS-сервіси

Інтерфейси даних

GPS приймачі

Введення в супутникову навігацію

Супутникова навігація це просто

Сегмент космосу

Сегмент користувача

GPS повідомлення

Обчислення позиції (рівняння)

DGPS сервіси для корекції у реальному часі

Широка область DGPS

Інтерфейси обладнання

– – –

Ми резервуємо всі права на цей документ та інформацію, що міститься в ньому. Відтворення, використання та передача третім особам без дозволу заборонені!

За подальшими документами зверніться, будь ласка, на сайт www.u-blox.com Робочі характеристики, наведені в цьому документі, є приблизними і не дають гарантії роботи виробу. u-blox не підтримує програми, пов'язані зі зброєю. Продукція u-blox' розроблена для мирного використання та комерційної авіації, а також для аналогічних програм. У пристроях або системах, у яких збій даної продукції може призвести до пошкоджень, використання йде на власний страх та ризик. u-blox резервує право змінювати цей виріб, включаючи схему та забезпечення, для покращення його працездатності без попереднього повідомлення.

u-blox не дає жодних гарантій на характеристики, наведені в цьому документі. u-blox не приймає претензії щодо збитків, отриманих через застосування цього виробу згідно з документом.

u-blox схеми, забезпечення та проекти захищені законом про інтелектуальне право у Швейцарії. u-blox, логотип u-blox, тип TIM-GPS модуля, Antaris, SuperSense, "наш position is our focus", NavLox, u-center, AssistNow, AlmanacPlus, FixNow і EKF є зареєстрованими торговими марками u-blox AG. Цей продукт може повністю або частково зазнавати інтелектуального захисту. Будь ласка, зверніться до u-blox за додатковою інформацією. Copyright © 2007, u-blox AG.

Основи супутникової навігації GPS-X-02007-C Контакти За додатковою інформацією зверніться до таких джерел.

Центральний офіс u-blox AG Zuercherstrasse 68 CH-8800 Thalwil Switzerland Phone: +41 44 722 74 44 Fax: +41 44 722 74 47 E-mail: [email protected] www.u-blox.com Офіси продажів North, Central and South America Europe, Middle East, Africa Asia, Australia, Pacific

– – –

Основи супутникової навігації Контакти GPS-X-02007 Передмова Де Я на Землі?

Відповідь на це здавалося б простим питанням іноді може означати життя або смерть. Подивіться на авіатора, який намагається знайти місце для безпечної посадки, на капітана на аварійному судні, якому потрібна допомога, на мандрівника в горах, що загубився через погану погоду. Ваше місцезнаходження на Землі є життєво важливим і може мати різні варіанти додатків.

Незважаючи на рідкість вищенаведених драматичних обставин, існують ситуації, що мають велике значення у нашому повсякденному житті. Як знайти потрібну адресу? Потенційні програми та використання інформації про місцезнаходження безмежні. Наша позиція на блакитній планеті завжди буде дуже важливою і сьогодні це те, що ми можемо отримати з приголомшливою зручністю.

Серед приголомшливих технологічних розробок протягом останніх років велике значення мають розробки у галузі супутникової навігації або Глобальних супутникових навігаційних систем (GNSS). Протягом декількох років супутникова навігація подолала шлях від наукової фантастики до наукового факту з технологією, що швидко розвивається по всьому світу, присвяченій надійному і легкодоступному способу визначення позиції.

Глобальні лідери швидко змінюють промисловість, u-blox AG додає шведський акцент у точність та якість. Чоловіки та жінки компанії є ентузіастами своєї справи та їх девіз “your position is our focus”. Частиною свого зобов'язання перед Вами u-blox AG вважає надання цього посібника для того, щоб допомогти у вивченні захоплюючого світу супутникової навігації.

Мета цієї книги забезпечити огляд систем, у яких працює супутникова навігація, та програм з її використанням. Буде розглянуто всі останні досягнення у цій галузі. Цей документ призначений для користувачів, зацікавлених цією технологією, а також для фахівців у галузі розробки програм. Документ побудований таким чином, що є поступовий перехід від найпростіших понять до складних концепцій. Основну теорію супутникової навігації буде доповнено додатковими важливими деталями. Цей посібник служить помічником для розуміння технології приймачів супутникової навігації, модулів та ICs. Найважливіші нові розробки будуть наведені у різних розділах. Розуміння різних координатних систем, що використовуються в обладнанні GNSS є важким завданням. Тому окремий розділ присвячений картографії.

Ми сподіваємося, що цей документ допоможе Вам та Вас захопить ця технологія. Усе, що з нею пов'язане, відповідає питанням “де Я Землі?”.

– – –

У 1990 році я їхав поїздом до Швейцарського кантону. Зі мною було кілька журналів. В одному з них я натрапив на спеціальну статтю про супутників, яка описувала нову систему позиціонування та навігації. Використовуючи кілька US супутників, ця система, відома під назвою Системи Глобального Позиціонування або GPS, могла визначити координати будь-де з точністю до 100 м(*).

Як спортсмен і любитель гір, я часто опинявся у ситуаціях, коли необхідно було знати своє місцезнаходження, що стає можливим під час використання GPS приймача. Після читання статті я був уражений точністю GPS.

Тоді я розпочав детальне вивчення системи глобального позиціонування. Я заразив своїм ентузіазмом студентів з мого університету використанням GPS і в результаті я отримав перелік різних курсових робіт, що дають інформацію про предмет. Почуваючись справжнім GPS експертом, я розіслав статті до різних журналів та газет. Через мій ентузіазм інтерес до системи зріс.

В основному, GPS приймач визначає лише 4 змінні: довготу, широту, висоту та час.

Додаткову інформацію (наприклад, швидкість, напрямок тощо) можна отримати з цих чотирьох компонентів. Оцінка шляхів розвитку, при якому функції GPS системи є необхідними, пропонує розвивати нові привабливі програми. Якщо добре відома технічна сторона GPS системи, то можливий розвиток та використання нового обладнання для навігації та позиціонування. Ця книга також визначає обмеження системи, тому дуже багато чого від неї чекати все-таки не варто.

Перед тим, як ви почнете, я повинен попередити вас про наявність невідомих GPS помилок, тому ви ризикуєте!

Як було написано цю книгу?

У 2000 році я вирішив скоротити час своїх лекцій в університеті та звернути свою увагу на іншу область. Моєю метою було працювати професійно з GPS та u-blox. Компанія доручила мені розробити брошуру, яку вони даватимуть своїм клієнтам. Даний конспект є результатом ранніх статей та нових розділів.

Я бажаю кожному з вас успіху в роботі з GPS і вірю, що ви зможете легко керувати навігацією за допомогою цих цікавих технічних можливостей. Приємного читання!

– – –

Передмова……………………………………………………………………………………….……4 Передмова автора

1.1 Принцип вимірювання часу передачі сигналу

1.1.1 Основні принципи супутникової навігації

1.1.2 Час проходження сигналу

1.1.3 Визначення позиції

1.1.4 Виникнення та корекція помилки за часом

2 GNSS технологія: GPS приклад

2.1 Опис усієї системи

2.2 Сегмент космосу…………………………………………………………………………………………………………………………… ………..19 2.2.1 Розподіл та переміщення супутника

2.2.2 GPS супутники……………………………………………………………………………………………………………………… ………….…22 2.2.3 Генерація сигналу з супутника

2.3 Керівний сегмент……………………………………………………………………………………………………………………….… ..27

2.4 Сегмент користувача

2.5 GPS повідомлення…………………………………………………………………………………………………………………………… ………..…31 2.5.1 Вступ……………………………………………………………………………………………………… …………………………………..31 2.5.2 Структура навігаційного повідомлення

2.5.3 Інформація у підфреймах

2.5.4 TLM та HOW

2.5.5 Розподіл на 25 сторінок

2.5.6 Порівняння даних ефімерісу та альманаху

2.6 Оновлення GPS…………………………………………………………………………………………………………………………… ………..34 2.6.1 Нова процедура модуляції, BOC

2.6.2 Модернізація GPS……………………………………………………………………………………………………………………… …..36

3 GLONASS та GALILEO

3.2 Російська система: GLONASS

3.2.1 Склад GLONASS

3.3.1 Огляд

3.3.2 Основні послуги GALILEO

3.3.3 Точність

3.3.4 GALILEO технологія

3.3.5 Найважливіші властивості трьох систем GNSS

4 Обчислення позиції

4.1 Вступ

4.2 Обчислення позиции…………………………………………………………………………………………………………………………. …48 4.2.1 Принцип вимірювання часу проходження сигналу (оцінка псевдодіапазону)................. 48 4.2.2 Лінеаризація рівняння

4.2.3 Вирішення рівняння

4.2.5 Аналіз помилок та DOP

5 Координатні системи

5.1 Вступ

5.2 Геоїди

5.3 Еліпсоід і дані………………………………………………………………………………………………………………………… ...58 5.3.1 Еліпсоїд

5.3.2 Модифіковані локальні еліпсоїди та дані

5.3.3 Національні відлікові системи

5.3.4 Єдиний відліковий еліпсоїд WGS-84

5.3.5 Трансформація від локального до єдиного відлікового еліпсоїда

5.3.6 Конвертування координатних систем

5.4 Координати регіонів на площині, проекція

5.4.1 Gauss-Krger проекція (Transversal Mercator Projection)

5.4.2 UTM проекція……………………………………………………………………………………………………………………… ..……….64 5.4.3 Шведська система проекцій (Conformal Double Projection)

5.4.4 Єдине перетворення координат

6 Удосконалення GPS: DGPS, SBAS, A-GPS та HSGPS

6.1 Вступ

6.2 Джерела помилки GPS………………………………………………………………………………………………………………………… 68

6.3 Способи зменшення помилки вимірювання

6.3.1 DGPS, що базується на вимірюванні часу затримки проходження сигналу

6.3.2 DGPS, заснований на вимірюванні несучої фази

Основи супутникової навігації Зміст GPS-X-02007-C 6.3.3 DGPS пост-обробка (час проходження сигналу та вимірювання фази)

6.3.4 Передача даних корекції

6.3.5 DGPS класифікація відповідно до переданого діапазону

6.3.6 Стандарти передачі сигналів корекції

6.3.7 Огляд різноманітних сервісів корекції

6.4 DGPS сервіси для корекції у реальному режимі часу

6.4.1 GBAS сервіси……………………………………………………………………………………………………………………… ………...77 6.4.2 Європейські GBAS сервіси

6.5 Широка область DGPS (WADGPS)

6.5.1 Супутник на основі розширених систем, SBAS (WAAS, EGNOS)

6.5.2 Супутникові послуги DGPS з використанням RTCM SC-104

6.6 Гранична точність із DGPS та SBAS

6.7 Допоміжний GPS (A-GPS)

6.7.1 Принцип A-GPS

6.7.2 A-GPS з онлайн додатковими даними (Real-time A-GPS)

6.7.3 A-GPS з офлайн додатковими даними (припустимі орбіти)

6.7.4 Відлікова мережа

6.8 Високочутливий GPS (HSGPS)

6.8.1 Удосконалена стабільність генератора.

6.8.2 Антени

6.8.3 Рівні шуму

6.8.4 Корелятори та час кореляції

6.9 GNSS-підсилювач або випромінювальна антена……

6.10 Псевдосупутники для внутрішніх програм

7 Формати даних та інтерфейси обладнання

7.1 Вступ

7.2 Інтерфейси даних

7.2.1 Інтерфейс NMEA-0183

7.2.2 DGPS дані корекції (RTCM SC-104)

7.2.3 Закриті інтерфейси даних

7.3 Інтерфейси оборудования……………………………………………………………………………………………………………….105 7.3.1 Антени

7.3.3 Тактовий імпульс: 1PPS та системи часу

7.3.4 Конвертування рівня TTL в RS-232

8 приймачі GNSS

Основи супутникової навігації Зміст GPS-X-02007-C

8.2 GNSS приймальні модулі

8.2.1 Базовий проект модуля GNSS

8.2.2 Приклад: u-blox 5

9 GNSS програми

9.1 Вступ

9.2 Опис різних програм

9.2.2 Бізнес та промисловість

9.2.3 Технологія зв'язку

9.2.4 Сільське господарство та лісництво

9.2.5 Наука та дослідження

9.2.6 Туризм/Спорт

9.2.7 Військове відомство

9.2.8 Вимірювання часу

А Ресурси всесвітнього павутиння

A.2 Диференціальний GPS………………………………………………………………………………………………………………….125 A.3 GPS інститути

A.4 GNSS антени……………………………………………………………………………………………………………………… …………….126 A.5 GNSS групи та GNSS технічний журнал

B Вказівник

B.1 Список малюнків

B.2 Список таблиць

B.3 Джерела

– – –

2. Прецизійний час (UTC), його точність лежить у діапазоні від 60 нс до 5 нс.

Рис.1 Основна функція супутникової навігації У 2007 році Система глобального позиціонування (GPS), розроблена United States Department of Defense (DoD), була єдиною повноцінною робочою системою GNSS. Промисловість супутникової навігації, що швидко розвивається, зосереджена в основному на GPS системі, ось чому терміни GPS і супутникова навігація іноді підмінюють один одного. Цей документ розгляне й інші системи GNSS.

Під час розробки системи GPS основний акцент було зроблено на трьох аспектах:

1. Вона повинна забезпечити споживачів можливістю визначати позицію, швидкість і час у русі чи спокої.

3. Вона повинна мати можливість використання цивільного населення.

– – –

Короткий посібник розгляне основні принципи супутникової навігації та їх застосування у додатках та технологіях. На GPS буде основний акцент у зв'язку з промисловим стандартом, а також будуть розглянуті такі розробки як Differential-GPS (DGPS), Assisted-GPS (AGPS) та інтерфейси пристрою у різних розділах. Все це зроблено з метою забезпечити читача фундаментальною інформацією про таку захоплюючу область.

Рис. 2 Запуск GPS супутника Серед них авіація, зльоти та посадки за допомогою супутникової навігації стають можливими.

– – –

1.1 Принцип вимірювання транзитного часу сигналу Якийсь час протягом грозової ночі Ви, безперечно, намагалися зрозуміти, як далеко Ви знаходитесь

За спалахом блискавки. Відстань можна встановити досить легко (Рис. 3): відстань = момент спалаху блискавки (початковий час) до появи грому (кінцевий час), помножений на швидкість звуку (приблизно 330 м/с). Різниця між стартовим та кінцевим часом і є транзитним часом.

– – –

Рис.3 Визначення відстані по спалаху блискавки Відстань = транзитний час * швидкість звуку Система GPS функціонує за таким же принципом. Для того щоб обчислити точну позицію, потрібно лише виміряти транзитний час сигналу між точкою спостереження та чотирма іншими супутниками, чиї позиції відомі.

– – –

Усі супутникові навігаційні системи використовують загальні принципи визначення координат:

Супутники з певною позицією передають регулярний сигнал.

Заснований на вимірі часу розповсюдження радіохвиль (електромагнітні сигнали поширюються зі швидкістю світла c = 300'000 км/с), позиція приймача обчислюється.

– – –

Рис.4 У найпростішому випадку Відстань визначається часом розповсюдження Відстань D обчислюється шляхом множення часу розповсюдження на швидкість світла.

D = c Оскільки синхронізація годинника в машині з передавачем не є ідеальною, існує різниця між обчисленою відстанню і фактичною. У навігації це неправильне значення звучить як псевдодіапазон. У прикладі помилка за часом становить 1 мікросекунду (1мкс) і визначає псевдодіапазон в 300 м.

– – –

Як видно, щоб точно обчислити позицію і час вздовж лінії (приймаємо, що лінія продовжується тільки в одному напрямку), нам необхідно два передавачі сигналів часу. З цього ми можемо зробити наступний висновок: при несинхронізованих бортових годинниках, використовуваних при розрахунку позиції, необхідно число передавачів сигналів часу, що перевищує кількість невідомих вимірів на одиницю.

Приклад:

На площині (два виміри) нам потрібні три передавачі сигналів часу.

У тривимірному просторі нам потрібні чотири передавачі сигналів часу.

4 супутника необхідні для визначення Довготи, Широти, Висоти та Часу

– – –

Рис.7 Визначення транзитного часу сигналу

Як приклад з машиною, Відстань D до супутника можна визначити, використовуючи транзитний час:

Відстань = час у дорозі * швидкість світла

– – –

Двох супутників достатньо, щоб визначити позицію на площині X/Y.

Рис.8 Позиція приймача у точці перетину двох кіл

Насправді позиція має бути визначена в тривимірному просторі, а не на площині.

Відмінність між площиною і тривимірним простором полягає у додатковому вимірі (висота Z), додатковий третій супутник має бути доступний визначення дійсної позиції. Якщо відстані до трьох супутників відомі, всі можливі позиції розташовані на поверхні трьох сфер, чиї радіуси відповідають розрахованим відстаням. Потрібна позиція – місце перетину всіх трьох сфер (Мал. 9).

– – –

З цього випливає, що в 3-мірному просторі 4 супутники необхідні для визначення точної позиції.

4 супутника необхідні для визначення позиції в 3-D просторі

– – –

Якщо вам подобається...

o розуміти, чому необхідно 3 різних GPS сегмента o знати, що в кожного сегмента є функція o знати, як зроблений GPS супутник o знати, якого роду інформація передається на Землю розуміти, яке значення має кореляція o розуміти, чому необхідний мінімальний період часу GPS для роботи онлайн o знати, що таке фрейми та підфрейми тоді цей розділ для Вас!

2.1 Опис системи

– – –

Система глобального позиціонування (GPS) включає 3 сегменти (Рис.11):

Просторовий сегмент (всі робочі супутники)

Керуючий сегмент (всі наземні станції системи: основна керуюча та додаткові для контролю)

Сегмент користувача (всі цивільні та військові GPS користувачі)

– – –

Рис. 11 Три сегменти GNSS Як видно з рисунку 11 є односпрямований зв'язок між просторовим сегментом і сегментом користувача. Керуючі станції землі мають двонаправлений зв'язок із супутниками.

2.2 Просторовий сегмент 2.2.1 Переміщення супутника Просторовий сегмент досі складається з 32 діючих супутників (Рис. 12) з орбітами в 6 різних площинах (від чотирьох до п'яти супутників у площині). Вони знаходяться на висоті 20180 км над Земною поверхнею і нахилені на 550 до екватора. Кожен супутник здійснює коло по орбіті за 12 годин. Через обертання Землі, супутник буде у своєму початковому положенні (Мал. 13) після приблизно 24 годин (23 години 56 хвилин, щоб бути точним).

– – –

Супутникові сигнали можуть бути прийняті у межах ефективного діапазону супутника. Рис. 13 показує ефективний діапазон (затінена область) супутника, розташованого прямо над нульовим меридіаном.

– – –

Розподіл супутників у будь-який час може бути видно на Рис. 14. Воно є наслідком вдалого розподілу орбіт на великій висоті для забезпечення зв'язку з принаймні 4 супутниками у будь-який час у світі.

– – –

2.2.2.1 Конструкція супутника Усі супутникові сигнали часу та дані синхронізуються атомним годинником на борту на одній частоті (1575.42 МГц). Мінімальна довжина сигналу, отриманого на Землі, приблизно від -158dBW до OdBW [ Відповідно до специфікації, максимальна довжина приблизно -153dBW].

Рис. 15 GPS супутник 2.2.2.2 Аналіз зв'язку Аналіз зв'язку (Таблиця 1) між супутником та користувачем необхідний для встановлення необхідного рівня потужності передачі. Відповідно до специфікації, мінімальна потужність не повинна бути нижчою від -16OdBW (-13OdBm). Для гарантії підтримки цього рівня потужність передачі супутника L1, модульована кодом C/A, має бути 21.9 Вт.

– – –

Наступна інформація (навігаційне повідомлення) передається супутником зі швидкістю 50 біт за секунду.

Супутникові сигнали синхронізації та часу

Точні дані (ефімеріс)

Корекційна інформація для визначення точного часу

Наближені дані супутників (альманах)

Дані на іоносфері

Інформація про стан супутника Час, який потрібен для передачі інформації, становить 12.5 хвилин. Використовуючи навігаційне повідомлення, приймач здатний визначити час передачі кожного сигналу і точну позицію супутника на момент передачі.

Кожен із 28 супутників передає унікальну сигнатуру. Ця сигнатура складається з довільної послідовності (Псевдо Довільний Шум Коду, PRN) 1023 нулів та одиниць (Мал. 17).

Рис.17 Псевдовипадковий шум

Остання мілісекунда - це унікальний ідентифікатор, що безперервно повторюється і має дві мети щодо приймача:

Ідентифікація: унікальна сигнатура означає, що приймач знає, якого супутника отримано сигнал.

Вимірювання транзитного часу сигналу 2.2.3 Генерація сигналу супутника 2.2.3.1 Блокова діаграма На борту супутників знаходяться чотири штуки дуже точного атомного годинника. Наступні тактові імпульси та частоти, необхідні для повсякденної роботи, є похідними від резонансної частоти атомного годинника (рис.18 і 19):

Частота даних 50 Гц

Імпульс коду C/A, який модулює дані, використовуючи ексклюзивний процес3 (в діапазоні вище частоти 1 МГц)

Частота цивільного носія L1 (1575.42 МГц) Дані, промодульовані кодом C/A, модулюються своєю чергою несучою L1, використовуючи BiPhase-Shift-Keying (BPSK)4. З кожною зміною в модульованих даних є поворот на 1800 у несучій фазі L1.

Логічна операція з двома операндами, в результаті якої виходить логічне значення true, тоді і тільки тоді, коли один з операндів має значення true.

Метод модулювання несучої хвилі, при якому дані, що транслюються, повернені по фазі на 90°.

– – –

Сигнали супутникової навігації генеруються за допомогою процесу, відомого як DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) модуляція . Це процедура, коли він номінальна смуга частот(не плутати зі смугою частот чіпа приймача) навмисне ширше, поєднуючись із вищою частотою сигналу. Цей принцип модуляції був відкритий у 1940 році в США, актрисою Hedy Lamarr та піаністом George Anthell. Цей процес дозволяє працювати закритому радіоканалу у важких середовищах.

Атомний годинник на борту супутника має стійкість більше 2*10-13. Основна частота 10.23 МГц походить від резонансної частоти одного їх атомного годинника. У свою чергу, несуча частота, частота даних, час генерації псевдовипадкового шуму (PRN) та коду С/А походять від основної частоти (Рис.20). Тобто, всі 28 супутників передають на частоті 1575.42 МГц, при цьому використовується процес, відомий під назвою CDMA Multiplex5 (Code Division Multiple Access). Дані передаються з урахуванням DSSS модуляції. Генератор С/А коду має частоту 1023 МГц та період 1,0237, який відповідає мс. Використовуваний код С/А (PRN код), який схожий на золотий код8 і має хороші кореляційні властивості, генерується зсувним регістром зворотного зв'язку6.

Процес модуляції, описаний вище, називається DSSS модуляцією, при цьому код C/A відіграє в цьому процесі. Оскільки всі супутники передають на одній частоті (1575.42 МГц), код C/A містить ідентифікацію та інформацію, згенеровані кожним супутником. Код C/A є довільною послідовністю 1023 бітів, яка називається псевдовипадковим шумом (PRN). Ця сигнатура, яка триває мілісекунду і є унікальною для кожного супутника, постійно повторюється. Супутник завжди ідентифікований відповідним кодом C/A.

– – –

Рис.20 Детальна блокова система GPS супутника Форма мультиплексування, яка ділить радіоканали, використовуючи псевдовипадкову послідовність кожного користувача. CDMA це форма "spreadspectrum" сигналу, при якій модульований кодовий сигнал має більшу ширину по частоті, ніж дані, що передаються.

Зсувний регістр, у якому вхідний біт є лінійною функцією попереднього стану.

Час передачі окремих бітів у послідовності з псевдодіапазоном.

Золотий код є установкою бінарних послідовностей T. Взяти дві послідовності однієї довжини n, такі, що мають лише три загальні значення. Набір n операцій exclusive-ors двох послідовностей у різних фазах (тобто щодо всіх позицій), разом із самими послідовностями і є Золотий код. Операція exclusive or двох Золотих кодів дасть інший Золотий код у певній фазі.

– – –

Керуючий сегмент (OCS), складається з основної керуючої станції, розташованої в штаті Колорадо, п'яти контрольних станцій, оснащених атомним годинником, розташованих навколо земної кулі біля екватора, і трьох керуючих наземних станцій, які передають інформацію супутникам.

Найважливіші завдання керуючого сегмента:

Спостереження за переміщенням супутників та обробка орбітальних даних (ефімеріс)

Контроль годин супутника та їх роботи

Синхронізація часу супутника

Ретрансляція точних орбітальних даних, отриманих від супутників на зв'язку

Ретрансляція приблизних орбітальних даних, отриманих від усіх супутників (альманах)

Ретрансляція подальшої інформації, включаючи стан супутника, помилки часу тощо.

Керуючий сегмент також спостерігає за штучним спотворенням сигналів (SA), щоб обмежити позиційну точність системи при використанні цивільними. Точність системи навмисно обмежена до травня 2000 р. з політичних і тактичних міркувань департаментом США (DoD) для супутникових операторів. Обмеження можна відключити протягом травня 2000 року, але можна і запустити знову, якщо необхідно.

2.4 Сегмент користувача

Сигнали, передані супутниками, потребують приблизно 67 мс для досягнення користувача.

Хоча сигнали рухаються зі швидкістю світла, їхній транзитний час залежить від відстані між супутниками і споживачем.

Чотири різні сигнали згенеровані на приймачі і мають ту ж структуру, що і отримані з 4 супутників. При синхронізації цих сигналів утворюється усунення часу t (Мал. 21).

Виміряні усунення часу t на всіх 4 супутникових сигналах використовуються для визначення транзитного часу сигналу.

– – –

Сигнал приймача (синхронізований Зміщення часу приймача) Рис.21 Вимірювання транзитного часу сигналу Для визначення позиції користувача потрібен радіозв'язок із чотирма іншими супутниками.

Відстань до супутників визначає транзитний час сигналів. Приймач обчислює позицію користувача: широту, довготу, висоту h і час t з діапазону і відомої позиції чотирьох супутників. Висловлюючись математичними термінами, це означає, що чотири невідомі змінні, h і t визначені за допомогою відстані та позиції цих чотирьох супутників, хоча потрібен досить складний рівень ітерації, який матиме важливе значення далі.

Основи супутникової навігації GNSS технологія: Приклад GPS GPS-X-02007-C стор.27 Як сказано раніше, всі супутники передають на одній частоті, але з різним кодом C/A. Цей процес називається Code Division Multiple Access (CDMA). Відновлення сигналу та ідентифікація супутників відбувається за допомогою кореляції. Так як приймач може дізнатися всі C/A коди, які використовуються, то систематичний зсув і порівняння кожного коду з усіма сигналами з супутника, що надходять, призведе до повного збігу типів (тобто показник кореляції CF - 1), і точка кореляції буде досягнута. (Мал. 22). Точка кореляції використовується для вимірювання фактичного часу транзитного сигналу і для ідентифікації супутника.

Вхідний сигнал від PRN -18 біт 11 - 40 Вхідний сигнал від PRN -18 біт 1 - 30

– – –

Вхідний сигнал від PRN -18 біт 21 - 50, останні Перехресний сигнал від PRN -5 біт 11 - 40, у фазі Рис.22 Демонстрація процесу кореляції протягом 30 біт Ступінь кореляції виражається тут як CF (показник кореляції). Діапазон величини CF лежить від мінус одиниці до плюс одиниці і є позитивним лише за збігу типів сигналів (бітова частота і фаза).

mB: число всіх бітів, що збіглися uB: число всіх бітів, що не збіглися N: загальна кількість бітів В результаті Ефекту Допплера (усі супутники і приймачі рухаються відносно один одного) можливе зміщення переданих сигналів на ±6000 Гц щодо точки прийому. Визначення транзитного часу сигналу і відновлення даних вимагає як кореляції з усіма можливими кодами і фазами зміщення, але й ідентифікацію правильної фази несучої частоти. За допомогою систематичного зміщення та порівняння з усіма кодами (Мал. 22) та несучої частоти з вхідними сигналами супутника знаходимо потрібну точку (в якій фактор кореляції дорівнює 1) (Мал. 23). Потрібна позиція в несучій частоті відома як бінарна.

– – –

Рис. 23: Дослідження максимальної кореляції коду та інтервалу несучої частоти Спектральна щільність потужності отриманого GPS сигналу лежить приблизно на 16 Дб нижче термального шуму (див. мал. 16).

Демодуляція та концентрація отриманого GPS сигналу дає системне посилення GG:

Після концентрації, щільність потужності сигналу стає більше термального шуму (Мал. 24).

– – –

Подвоєння Dwell Time збільшує різницю між сигналом та термічним шумом (чутливість приймача) на 3 Дб. Насправді не проблема збільшити час кореляції до 20 мс. Якщо значення переданих даних відомо, тоді цей час можна збільшити навіть ще більше значення.

– – –

2.5.1 Введення Повідомлення є безперервним потоком даних, переданим зі швидкістю 50 біт в секунду. Кожен супутник передає наступну інформацію на Землю:

Системний час та скориговані значення годинника

Власні високоточні орбітальні дані (ефімеріс)

Наближені орбітальні дані всім супутників (альманах)

Стан системи та ін.

Навігаційне повідомлення необхідно для обчислення поточної позиції супутників та визначення транзитного часу сигналу.

Потік даних модулюється несучою хвилею HF кожного окремого супутника. Дані передані на логічно згруповані блоки, які називаються кадрами або сторінками. Кожен кадр 1500 біт довжиною, і його передача займає 30 секунд. Фрейми розділені на 5 підфреймів. Кожен подфрейм 300 біт довжиною, та його передача займає 6 секунд. Для передачі всього альманаху потрібно 25 різних кадрів (або сторінок). Час передачі для альманаху – 12.5 хвилин. Приймач GPS повинен отримати весь альманах для роботи (наприклад, для своєї первинної ініціалізації).

2.5.2 Структура навігаційного повідомлення

Фрейм довжиною 1500 біт займає 30 секунд для передачі. 1500 біт розділені на п'ять подфреймів довжиною 300 біт (час передачі 6 секунд). Кожен подфрейм, своєю чергою, поділений на 10 слів, кожне у тому числі довжиною 30 біт. Кожен підфрейм починається зі слова телеметрії та слова handover (HOW). Повне повідомлення навігації складається з 25 кадрів (сторінок). Структура навігаційного повідомлення показана на Рис. 25.

– – –

2.5.4 TLM і HOW Перше слово кожного кадру, слово телеметрії (TLM), містить послідовність із 8 біт преамбули (10001011), яка використовується для синхронізації, наступні 16 біт зарезервовані для зареєстрованих користувачів. Як і у всіх словах, кінцеві 6 біт слова телеметрії - біт парності.

Слово Handover (HOW), слід відразу за словом телеметрії у кожному подфрейме. Слово Handover має 17 біт (діапазон значень від 0 до 131071 може бути представлений 17 бітами) і містить у межах своєї структури стартовий час для наступного підфрейму, що передається як час тижня (TOW). Лічильник TOW починається зі значення 0 на початку тижня GPS (період переходу від суботи 23:59:59 на неділю 00:00:00 годин) і збільшується на 1 кожні 6 секунд. Так як у тижні 604,800 секунд, лічильник працює від 0 до 100,799, потім обнулюється. Маркер вклинюється в потік даних кожні 6 секунд і передає HOW для синхронізації з кодом P. Біти 20. 22 використовуються в слові Handover для ідентифікації щойно переданого підфрейму.

2.5.5 Розбиття на 25 сторінок Повне навігаційне повідомлення вимагає 25 сторінок і займає 12.5 хвилин. Сторінка або кадр розділені на п'ять підфреймів. У випадку підфреймів 1.3, інформаційний вміст однаковий для всіх 25 сторінок. Це означає, що приймач має всі значення годинника і дані ефімерісу від передавального супутника кожні 30 секунд.

Єдина відмінність у разі підфреймів 4 та 5 – в організації переданої інформації.

У випадку підфрейму 4, сторінки 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 та 10 ретранслюють дані альманаху з супутників з номерами від 25 до 32. У цьому випадку дані альманаху одного супутника передаються на одну сторінку.

Сторінка 18 передає значення корекції через іоносферичну сцинциляцію, а також різницю між UTC і GPS часом. Сторінка 25 містить інформацію про конфігурацію всіх 32 супутників (тобто блочне приєднання) та стан супутників з номерами 25 … 32.

У випадку підфрейму 5, сторінки 1...24 ретранслюють дані альманаху з супутників з номерами від 1 до

24. У цьому випадку дані альманаху для одного супутника передаються на одну сторінку. Сторінка 25 передає інформацію про стан супутників з номерами 1…24 та дійсний час альманаху.

2.5.6 Порівняння даних альманаху та ефімерісу

Використовуючи дані ефімерісу та альманаху, супутники рухаються по орбітах і, отже, координати певного супутника можна знайти у будь-який момент часу. Відмінність між переданими величинами полягає головним чином точності чисел. У наступній таблиці (Таблиця 2) порівнюються два варіанти чисел.

– – –

Таблиця 2 Порівняння даних альманаху та ефімерісу Для пояснення термінів, використаних у Таблиці 2 див. 26.

Рис.26 Терміни ефімерісу Основна піввісь орбітального еліпса: a Основна піввісь орбітального еліпса: b Ексцентриситет орбітального еліпса: e

– – –

Щоб всі супутники передавали одну частоту, GPS сигнали модулюються спеціальним кодом. Цей код складається з Pseudo Random Noise Code (PRN) 1023 нулів або одиниць і відомий як C/A-код. Код з періодом 1 мс має швидкість передачі 1.023 Мбіт/с. Код повторюється безперервно і завдяки своїй унікальній структурі дозволяє приймачеві ідентифікувати від кожного супутника його сигнал.

Модуляція сигналу даних досягається за допомогою операції exclusive-or (EXOR) (Мал.27). Результат називається Binary Phase Shift Keying (BPSK(1)). Сигнал номінальної або базової частоти генерується одним з атомних годинників, і всі супутникові сигнали є похідними від нього. Номінальна або базова частота модулюється потім кодом C/A Code зі швидкістю 1 1.023 Мбіт/с.

– – –

Рис. 27: З BPSK сигнал навігаційних даних є першою модуляцією кодом У майбутньому системи GPS та Європейська GALILEO будуть використовувати процес нової модуляції під назвою Binary Offset Code Modulation (BOC). З BOC BPSK сигнал піддається подальшій модуляції. Частота модуляції завжди кратна базовій частоті 1.023 МГц. Властивості цієї модуляції передаються специфічним способом. Наприклад, BOC(10,5) означає, що частота модуляції дорівнює 10 базовим частот (10 1.023 МГц) і швидкість C/A коду в п'ять разів більше базової (5 1,023 Мбіт/с) (Рис 28).

– – –

Рис. 28: Модуляція в майбутньому: BOC(10,5) Завдяки BOC сигнал буде краще поширюватися над смугою пропускання і вплив відбитого сигналу на приймач навігаційного сигналу буде меншим порівняно з BPSK. При одночасному використанні BPSK(1) та BOC(1,1) їх вплив один на одного практично відсутній, оскільки максимуми густин потужності розділені (Рис. 29).

Спеткральна я площина потужності (ДБ м / Гц)

– – –

Рис. 29: З BPSK(1) і BOC(1,1) максимуми сигналу розділені (інтенсивність сигналу становить 1 W) Основи супутникової навігації GNSS технологія: Приклад GPS GPS-X-02007-C стор.35 2.6.2 GPS модернізація

З моменту активації GPS системи в 1978 всі супутники передає наступні три сигнали на Землю:

На частоті L1 (1575.42 МГц): один цивільний сигнал (SPS-сервіс з C/A сигналом, BPSK(1)) і один військовий сигнал (PPS-сервіс з P(Y)-сигналом, BPSK(10))

На частоті L2 (1227.60 МГц): другий військовий сигнал.

U.S.DoD планують покращити структуру GPS сигналу (Мал. 30). Для цивільних додатків запровадження другої та третьої частот дуже важливо; тоді більше частот можна використовувати для встановлення позиції, при цьому вплив іоносфери на час транзитний сигналу може бути зменшено або навіть зведено до нуля. Ця компенсація можлива, оскільки швидкість передачі в іоносфері залежить від частоти. На додаток до двох нових сигналів модернізація GPS забезпечить збільшення інтенсивності сигналу для цивільних користувачів, надавши можливості для військових додатків.

25 вересня 2005 року перший із восьми нових супутників типу IIRM (Блок 2, Replenishment and Military) був доставлений на орбіту. 16 грудня 2005 супутник був готовий до передачі. Запуск решти семи супутників розпочнеться ще до 2006 року. Ці нові супутники додатково передають наступне:

Новий цивільний сигнал 1227.60 МГц, так звана частота L2C.

Допоміжні військові сигнали 1575.42 МГц та 1227.60 МГц: M сигнали, що використовують BOC(10,5) модуляцію.

Нове покоління супутників заплановане до кінця цієї декади. Нова серія матиме позначення IIF (Блок 2, Follow-ON) та III (Блок 3).

Нижче наведено найважливіші характеристики цих супутників:

Новий цивільний сигнал 1176.45 МГц (частота L5). Цей сигнал стійкіший, і його можна використовувати в авіації при критичних посадках.

Збільшення інтенсивності сигналів M (= M+) за допомогою використання променевих антен, що концентрують.

Поліпшення структури C/A сигналу громадянської частоти L1. (визначеної як L1C).

– – –

Рис. 30: З модернізацією збільшено кількість доступних GPS частот Наземні станції GPS також будуть оновлені. Ця розробка має бути повністю закінчена та введена в дію до середини наступної декади. Нові сигнали будуть доступні користувачам.

– – –

28 грудня 2005 року перший супутник GALILEO було виведено на орбіту. Супутник, званий GIOVE-A, розпочав нову епоху. Спочатку в Європі також активно впроваджувалась супутникова навігація. GPS повинен мати конкуренцію: ймовірно, протягом наступних п'яти або шести років буде доступно три незалежні GNSS системи. USA продовжить підтримувати GPS, Росія та Європейський Союз будуть використовувати свої системи GLONASS та GALILEO. З трьома функціонуючими GNSS системами ми матимемо можливість більш точного позиціонування, а також з'являться відмінності.

GPS також буде модернізуватися в найближчому майбутньому і стане більш доступним (див. 2.6).

Даний розділ розглядає систему GLONASS, що ще не повністю працює, і майбутню систему Європи GALILEO.

Основи супутникової навігації GLONASS та GALILEO GPS-X-02007-C стор.37

3.2 Російська система: GLONASS GLONASS - це абревіатура GNSS системи, яка нині використовується Російським військовим міністерством. Назва GLONASS означає Global Navigation Satellite System. Програма вперше стартувала в Радянському Союзі, а зараз за Співдружності Незалежних Держав (СНД). Перші три тестові супутники були запущені на орбіту 12 жовтня 1982 року. Найважливіші характеристики цієї системи:

24 заплановані супутники (21 стандартні + 3 резервні). Такої кількості ніколи не було. Відносно короткий час життя окремих супутників від 3 до 4 років завадило завершенню системи.

3 орбітальних рівня з кутом 64.8 ° від екватора (це найвищий кут з усіх GNSS систем, він дозволяє мати гарний прийом у полярних областях).

Орбітальна висота 19100 км

Орбітальний період 11 год 15.8 хв

Кожен GLONASS супутник передає два коди (C/A та P-код) на двох частотах. Кожен супутник передає однакові коди (PRN), але різних частотах у межах 1602 МГц і 1246 МГц. Ці пов'язані частоти мають бути змінені згодом.

3.2.1 Склад GLONASS

У складі системи GLONASS необхідні 24 робочі супутники. Внаслідок політичної нестабільності в Радянському Союзі та інших затримок та проблем 18 серпня 2006 року лише 14 робітників супутника присутні на орбіті. СНД планує доопрацювати систему до кінця 2008 року. Три супутники на заміну були успішно запущені 25 грудня 2005 року. Два із трьох супутників відносяться до M серії, яка має час життя 7-8 років. Ці нові супутники передають два цивільні сигнали. Після 2007 буде запущений перший супутник K серії. Час його життя продовжено до 10-12 років, і він передає три цивільні сигнали.

Рис. 31: GLONASS-M супутник (Джерело ESA) Мал. 32: Запуск носія Протон

Основи супутникової навігації GLONASS та GALILEO GPS-X-02007-C стор.38

3.3 GALILEO 3.3.1 Огляд GALILEO є Європейською системою GNSS. Європейський Союз (EU) спільно з European Space Agency (ESA) розробили цю систему. EU та ESA разом утворюють парасолькову організацію: спільне підприємство GALILEO (GJU, з центральним офісом у Брюсселі). GJU спостерігає та координує всі етапи розробки, тестування та реалізації. GJU гарантує свою відповідальність за адміністрування цієї програми. Уряди Німеччини, Італії, Франції, UK, Іспанії та Бельгії в сумі несуть приблизно 85% витрат.

GALILEO складатиметься із сузір'я супутників на трьох циклічних орбітах на висоті 23,616 км над Землею. Ці супутники підтримуються мережею наземних станцій.

Ключові аргументи щодо введення GALILEO:

Досягнення незалежності США. Є лише дві системи супутникової навігації: Американська GPS та Російська GLONASS. Обидві були задумані з воєнними цілями. На даний момент Російська система не має доступних цивільних програм, тому Європейська GALILEO буде єдиною альтернативою монополії GPS та Американської промисловості. GPS контролюється Американським урядом, який може у разі кризи обмежити чи деактивувати систему. Це підпорядкування американцям не влаштовує європейців. Проте військові США заявили, що готові зруйнувати систему GALILEO у разі загрози безпеці США

Підвищення точності позиціонування. GALILEO планується більш точною, ніж GPS. Це розширить можливості, забезпечить точність у межах від 4 до 15 м. Сервіс безпеки матиме точність від 4 до 6 м. Чутливість прийому відбитого сигналу також буде знижена. Ця перевага буде досягнута завдяки BOC модуляції. GPS також додасть BOC після модернізації.

Отримання лише цивільної навігаційної системи. GALILEO буде розроблено відповідно до цивільних цілей; однак, вона зможе забезпечити функції безпеки. На противагу військово-спрямованому GPS, GALILEO гарантує функціональність приватних сервісів.

Надання більшої кількості можливостей. GALILEO матиме п'ять різних призначень. Для порівняння, GPS на даний момент має лише два. У разі модернізації кількість GPS можливостей для громадянського населення зросте.

Надання функції пошуку та порятунку. Функції пошуку та порятунку вже пропонувалися іншими організаціями. Нове в GALILEO – підтвердження тривоги.

Збільшення безпеки за допомогою інтеграції повідомлень. GALILEO буде більш надійним, оскільки має інтеграцію повідомлення. Це дозволить відразу сповістити користувача про помилки в роботі. Вище за це – гарантія доступності. Для відкритого сервісу був гарантії доступності, інтеграції повідомлень. Ці можливості доступні лише через EGNOS.

Зайнятість. Екперти підрахували, що до 2020 року Європейська супутникова система GALILEO надаватиме 130,000-180,000 робочих місць. З початковими інвестиціями у розмірі шести мільярдів євро (спочатку кошторис був на три), GALILEO окупить себе і принесе прибуток у сімдесят чотири мільярди євро.

GNSS Know-How. Більшість виробників супутникових навігаційних систем розміщено у США. Супутники та аксесуари до них, навігаційні приймачі, вимірювальні прилади та ін. в основному розробляються і продаються поза Європою. З GALILEO Європа має набути досвіду та забезпечувати внутрішню промисловість кваліфікованими кадрами.

Поліпшення охоплення супутниковими сигналами. GALILEO забезпечить найкращий прийом у містах із високою широтою. Це можливо, тому що супутники Galileo мають орбіти під кутом 56 ° від екватора на висоті 23,616 км.

European Geostationary Navigation Overlay Service Основи супутникової навігації GLONASS і GALILEO GPS-X-02007-C стор.39 На додаток, сучасні приймачі GNSS можуть розрізняти GPS і GALILEO сигнали. Це збільшує кількість видимих супутників, яких можна отримати сигнали, тим самим розширюючи зону покриття і підвищуючи точність.

3.3.2 Заплановані послуги GALILEO Для критичних програм GALILEO забезпечить інформацію про працездатність системи для гарантії точності позиціонування. Під працездатністю мається на увазі надійність даних, що надаються. Користувачі будуть швидко (за 6 секунд) отримувати попередження про те, що точність системи опустилася нижче за цей мінімум. Оператори GALILEO вважають, що ці попередження є достатніми навіть для критичних додатків (наприклад, авіаційні посадки). Кожен сервіс забезпечує різні вимоги щодо функцій, точності, доступності, працездатності та інших параметрів.

3.3.2.1 Відкритий сервіс, OS Відкритий сервіс (OS) пропонується для масових програм. Він надає безкоштовні сигнали для визначення позиції та часу. Програми з низькими вимогами точності будуть використовувати недорогі одночастотні приймачі. Оскільки частоти від GALILEO і GPS (L1), що передаються, однакові для такої програми, навігаційні приймачі будуть комбінувати сигнали. Через збільшення кількості супутникових сигналів буде підвищено рівень прийому навіть у поганих умовах (наприклад, у місті). OS не надає інформацію про працездатність системи, і оператори GALILEO не дають гарантії доступності та не несуть відповідальності.

3.3.2.2 Комерційний сервіс, CS Комерційний сервіс призначений для ринкових додатків із вищими вимогами, ніж OS. CS призначено забезпечити ряд корисних послуг своїм користувачам в обмін на певну плату. Типовими прикладами таких додатків є послуги з високою швидкістю передачі даних, з гарантією доступності, з точним часом обслуговування, а також з локальною корекцією сигналів для позиціонування з максимальною точністю.

3.3.2.3 Сервіс безпеки, SoL Цей сервіс призначений для транспортних додатків, для яких погіршення навігації без попередження загрожує загрозою життю. Перша відмінність від OS – наявність високого рівня інформації про цілісність системи, передбаченого для таких програм як морська навігація, авіація та залізниці. Цей сервіс доступний лише за наявності сертифікованого приймача з подвійною частотою. Для досягнення необхідного захисту сигналів SoL використовуватиме авіаційні канали зв'язку (L1 та E5).

3.3.2.4 Загальний регульований сервіс, PRS GALILEO є цивільною системою, яка також забезпечуватиме стабільність та захисні сервіси для урядових (зокрема військових) цілей. Загальний регульований сервіс (PRS) доступний таким клієнтам, як поліція, пожежні департаменти та прикордонні патрулі. Доступ до сервісу обмежений та контролюється цивільною агенцією. PRS має бути завжди доступним незалежно від умов, особливо під час кризових ситуацій, за яких інші сервіси можуть бути зруйновані. PRS буде незалежним від інших сервісів та матиме високий рівень стабільності сигналу. PRS також буде захищено від електронного придушення.

3.3.2.5 Пошук та порятунок, SAR SAR сервіс буде використовуватися для пошуку та порятунку людей. Аварійні передавачі та супутники показуватимуть місце розташування окремих людей, транспортних засобів, на землі та на воді в аварійних ситуаціях. Наприкінці 1970 року США, Канада, СРСР та Франція розробили супутникову систему для розміщення аварійних маяків. Систему назвали SARSAT (Search And Rescue SatelliteAided Tracking). Російська назва системи "COSPAS". COSPAS-SARSAT система використовує шість LEO (Low Earth Orbit) та п'ять GEO (geostationary) супутників. GALILEO-SAR сервіс планує розширити та покращити існуючу COSPAS-SARSAT систему[x] такими способами:

Негайний прийом сигналу тривоги з будь-якої точки Землі (зараз є затримки приблизно годину).

Основи супутникової навігації GLONASS та GALILEO GPS-X-02007-C стор.40

Точне визначення позиції аварійних маяків (до метрів, а не з поточною точністю 5 км).

Поліпшення ефективності просторового сегмента через збільшення кількості доступних супутників для подолання перешкод (30 GALILEO супутників у середніх орбітах будуть додані до існуючих LEO та GEO супутників COSPAS-SARSAT системи).

GALILEO введе нову функцію SAR; повторення аварійного сигналу (від оператора SAR з аварійного радіо). Це має спростити порятунок та зменшити кількість помилкових тривог.

GALILEO SAR сервіс працюватиме разом із системою COSPAS-SARSAT, з параметрами і функціями під керівництвом IMO (International Maritime Organization) і ICAO (International Civil Aviation Organization).

– – –

Залежно від сервісу GALILEO забезпечить різні рівні точності. При використанні приймача з двома частотами точність буде вищою за рахунок компенсації помилок часу транзитного сигналу через умови іоносфери. При використанні локальних вимірів (тобто DGPS) точність може зрости до сантиметрів. Таблиця 3 показує очікувану точність 95% вимірювань.

– – –

Рис. 34: Сузір'я супутників GALILEO (картинка ESA-J.Huart) Супутники GALILEO мають час життя 15 років. Необхідна потужність 1500 Вт генеруватиметься великими сонячними батареями. Для підтримки поточних навігаційних даних супутники матимуть радіоконтакт із наземним сегментом системи з інтервалом у 100 хвилин.

Рис. 35: GALILEO супутник (картинка: ESA-J.Huart)

Наземний сегмент системи складатиметься із серії керуючих центрів, що утворюють глобальну мережу станцій для різних завдань. Сюди входить моніторинг цілісності сигналу та координування сервісів пошуку та порятунку.

Для навігації та управління супутниками плануються керуючі центри. Ядро наземного сегмента складатиметься з двох керуючих центрів GALILEO у Німеччині та Італії.

Основи супутникової навігації GLONASS та GALILEO GPS-X-02007-C стор.43 Основним керуючим центром буде German Aerospace (DLR) Center at Oberpfaffenhofen. Звідси контроль над нормальною роботою 30 супутників планується на 20 років. Другим центром зі своїми специфічними обов'язками контролю за роботою супутників буде центр у Fucino в Італії. Він також є резервним у разі виникнення будь-яких проблем на основному. Управління позиціонуванням 30 супутників буде поділено між European Satellite Control Center (ESA/ESOC) у Darmstadt, Німеччина, та French National Space Studies Center (CNES) у Toulouse, Франція. Ланцюг з 30 моніторингових станцій (IMS), розміщених у всіх країнах, керуватиме цілісністю супутникових сигналів. Два керуючі центри будуть оцінювати інформацію IMS і подавати сигнал тривоги у разі сильного відхилення даних позиції.

Планується три ракети Arianne 5, кожна з яких несе вісім супутників (Мал. 36), і три ракети Союз, кожна з яких несе два супутники GALILEO, ракети транспортують супутники на середину земної орбіти (MEO).

Рис. 36: Ariane 5 ракета доставляє 8 GALILEO супутників у космос (GALILEO-industries.net) 3.3.4.1 Сигнальні частоти Залежно від сервісу будуть різні частоти, форми модуляції та швидкості передачі даних (Див. Таблицю 4 та Рис. 37). Принциповими формами модуляції будуть BPSK та BOC. Виняток становлять E5a та E5b, у яких використовується змінена версія модуляції BOC під назвою AltBOC.

– – –

Додатково E5a, E5b, E6 та L1 передають пілотний канал. Пілотний канал не має навігаційних даних та його фаза зміщена на 90° по відношенню до інших сигналів. Це скорочує час виявлення супутника.

Вище лінії L1, GALILEO і GPS необхідно розділити частоти. У цій смузі GPS має 3 сигнали: C/A-сигнал, P(Y)-сигнал та новий M-сигнал. GALILEO буде використовувати лише два сигнали: L1B-сигнал та E2/E1 пару. Загальне використанняцієї частотної лінії створило свого часу інтенсивний конфлікт. Це було доти, доки у червні 2004 року США та ЄС не дійшли згоди щодо форм зв'язку та модуляції на даних частотах.

Рис. 38 зображено щільність потужності сигналу на частоті L1, припускаємо, що потужність всіх сигналів однакова (стандартне значення 1 Вт).

Рис. 38: L1 смуга буде інтенсивно використовуватися GALILEO і GPS (Щільність потужності стандартна - 1 Вт на сигнал) 3.3.4.2 Заплановані дати 26 червня 2004 після важких переговорів США і ЄС дійшли згоди в Дубліні. Метою угоди було співробітництво та сумісність GALILEO та американської GPS. Спірні питання, як-от призначення частот і форма модуляції, також були відрегульовані. Все це зробило спільне існування GALILEO та GPS можливим. 10 грудня 2004 року в рекомендації Єврокомісії Європейська рада підтвердила технічні характеристики системи (з акцентом на послуги, що надаються). Рада адресувала перехід від фази реалізації до робочої фази та підтвердила участь ЄС у фінансуванні обох фаз. Відповідно до цього GALILEO має стати функціонуючої у 2008 році. Комерційні операції розпочнуться не раніше 2012 року.

Обслуговування корпорації буде у Тулузі та Лондоні.

Основи супутникової навігації GLONASS та GALILEO GPS-X-02007-C стор.45

Конструкція системи передбачає чотири фази:

Визначення проекту: метою фази визначення є встановлення основних параметрів та характеристик системи. Фаза була закінчена у 2003 році.

Розробка та тести на орбіті: 28 грудня 2005 перший експериментальний супутник GIOVE-A був запущений з Російського космодрому Байконур в Казахстані (Рис. 39).

GIOVE - це акронім із GALILEO In-Orbit Validation Element. 12 січня 2006 GIOVEA передав перші сигнали. Сигнали були зареєстровані та проаналізовані наглядовою станцією з вивчення атмосфери та радіохвиль у Чілболтоні у Британії, а також наземною станцією ESA у Бельгії. Другий експериментальний супутник буде запущено на орбіту наприкінці 2007 року. З GIOVE-A та B EU забезпечить смуги частот для роботи GALILEO та визначить орбіти для тестової фази супутників. Ці супутники тестуватимуть важливу технологію, атомний годинник у жорстких умовах космосу. GIOVE-A має двоє рубідієвих атомних годинників (з надійністю приблизно 10 нс на день) і GIOVE-B має двоє пасивних воднево-квантових годинників (з надійністю менше ніж 1 нс на день) на борту. Після успішного завершення експериментальної фази із супутниками GIOVE-A та GIOVE-B будуть запущені чотири супутники на орбіту для тестування (супутники були замовлені 21 грудня 2004 року). З цим "мінімальним сузір'ям" вчені можуть побачити, чи можливе визначення точної позиції та місцезнаходження на землі. Вся тестова фаза повинна бути завершена в 2008 році, загальна вартість фази визначення та тестової оцінюється приблизно в € 1.1 мільярд ($US 1.4 мільярда).

Реалізація та запуск усієї системи: у разі успіху двох перших фаз система буде доопрацьована для остаточного функціонування. Супутники (чотири в даний час вже працюють) будуть закінчені і запущені на орбіту, також будуть добудовані необхідні наземні станції. Ця фаза планується до 2011 року і її вартість становитиме близько € 2.1 мільярда ($US 2.75 мільярдів). 1/3 частина фінансується державою та 2/3 приватними інвесторами.

Використання: щойно всі супутники опиняться на орбіті, система запрацює. Наприкінці фази буде 27 робітників і 3 резервні супутники на орбіті. Буде створено наземні станції, а також сервісні станції місцеві та регіональні. Річні витрати оцінюються в € 220 мільйонів ($US 288 мільйонів), з яких державна частка становитиме рекордну суму в € 500 мільйонів ($US 655 мільйонів) під час запуску системи. У наступні роки основні витрати ляжуть на плечі приватних інвесторів.

– – –

Таблиця 5: Порівняння властивостей систем GPS, GLONASS та GALILEO Відхилення від зазначеного UTC Ідентифікація коду: код відрізняється у кожного супутника Ідентифікація частоти: частота відрізняється для кожного супутника

– – –

4.1 Введення GNSS системи комбінують складний супутник і радіотехнологію для забезпечення навігації приймачів з радіосигналами, демонструють безліч даних під час передачі, а також ідентифікують передавальний супутник. Обчислення позиції за допомогою даних сигналів вимагає математичних дій, які будуть описані в цьому розділі.

4.2 Обчислення позиції 4.2.1 Принцип вимірювання транзитного часу сигналу (оцінка псевдодіапазону) Для того, щоб приймач GPS визначив свою позицію, він повинен отримувати сигнали часу від чотирьох інших супутників (СП 1... СП 4) для обчислення транзитного часу сигналу t1. .t4 (Мал.

Рис.40 Сигнали від 4 супутників повинні бути отримані Обчислення зроблено в Декартовій тривимірній системі координат з геоцентричним початком (Рис. 41).

– – –

Рис.41 Тривимірна координатна система Через атомні години на борту супутників, час передачі сигналу з супутника відомо з великою точністю. Всі супутникові годинники скориговані або синхронізовані один з одним і з універсальним часом. Для контрасту, годинник користувача не синхронізований з UTC і, отже, йде повільніше або швидше на t0. Знак t0 позитивний, якщо годинник користувача швидше. Результуюча помилка часу t0 є причиною похибки вимірювання транзитного часу сигналу та відстані R. В результаті виходить неправильна відстань, відома під назвою псевдо-відстань або псевдо-діапазону PSR .

R: дійсний діапазон від супутника до користувача C: швидкість світла t1: транзитний час сигналу від супутника до користувача t0: різниця між годинником супутника та користувача PSR: псевдо-діапазон

– – –

Підставляємо (4а) в (3а) Для того щоб визначити чотири невідомі змінні(t0, XAnw,YAnw,ZAnw), необхідно чотири незалежні рівняння Наступне вірно для 4 супутників (i= 1…4) 4.2.2 Лінеаризація рівняння Чотири рівняння 6a представляють собою нелінійний набір рівнянь. Для його вирішення потрібно зробити лінійною кореневу функцію відповідно до моделі Тейлора, яка використовує лише першу частину (Мал. 42).

Рис.42 Конверсія послідовності Тейлора Основна (з x = x-x0) Спрощена (тільки 1 частина) Для лінеаризації чотирьох рівнянь (6a) довільно гадану величину x0 потрібно підставити замість x.

Для системи GPS це означає, що замість безпосереднього розрахунку XUser, YUser та ZUser використовується передбачувана позиція XTotal, YTotal та ZTotal (Мал. 43).

– – –

Рис.43 Оцінка позиції Передбачувана позиція включає помилку через невідомі змінні x, y і z.

Відстань від 4 супутників до передбачуваної позиції можна обчислити за допомогою наступного рівняння:

Рівняння (9а) скомбінуємо з (6а) та (7а) та отримаємо:

Після часткового диференціювання це дасть таке:

– – –

Після транспонування чотирьох рівнянь (11 a) (для i = 1 ... 4) для чотирьох змінних (x, y, z і t0) можна застосувати правила лінійної алгебри:

Одержання x, y, z використовується для повторного обчислення передбачуваної позиції XTotal, YTotal та ZTotal відповідно до рівняння (8а).

Очікувані величини XTotal_New, YTotal_New і ZTotal_New можна тепер ввести в рівняння (13a), використовуючи нормальний ітеративний процес, доки x, y і z стануть меншими за бажану помилку (напр. 0.1 м). Залежно від початкової позиції необхідно від трьох до п'яти ітерацій, щоб помилка стала менше 1 см.

4.2.4 Підсумок Визначення позиції користувача (або його) програмного забезпечення) буде використано останнє виміряне значення або ймовірна нова позиція, для якої за допомогою ітерацій досягається бажана величина помилки x, y і z.

Отримане значення t0 відповідає помилці часу користувача і може бути використане для корекції годинника.

– – –

4.2.5.1 Аналіз помилки Компоненти помилки у обчисленнях поки що не прийняті до уваги. У випадку GNSS на загальну помилку впливають кілька причин:

Супутниковий годинник: хоча кожен супутник має чотири атомні години на борту, помилка часу в 10 нс призводить до похибки близько 3 м.

Супутникові орбіти: позиція супутника зазвичай відома не більше від 1 до 5 м-коду.

Швидкість світла: сигнали від супутника до користувача рухаються зі швидкістю світла. Але швидкість падає під час руху через іоносферу і тропосферу і може вважатися константою.

Вимірювання транзитного часу сигналу: споживач може визначити момент, коли отриманий сигнал від супутника з обмеженою точністю.

Відображення сигналів: рівень помилки зростає через прийом відбитих сигналів.

Геометрія супутника: здатність визначати позицію погіршується, якщо чотири супутники, що використовуються при вимірах, закриті. Ефект геометрії супутника на точності вимірів називається DOP (див. Таблицю 6).

Помилки викликані різними факторами, які докладно описані в Таблиці 1, яка включає в себе інформацію про горизонтальні помилки в залежності від джерела.

Використовуючи коригувальні вимірювання (Differential GPS, DGPS), можна помилки зменшити або усунути.

– – –

Точність, з якою позиція може бути визначена GNSS в режимі навігації, залежить, з одного боку, від точності псевдо-діапазону вимірювань, і, з іншого боку, від геометричної конфігурації використовуваних супутників. Вона виражається скалярною кількістю, що у літературі навігації називається DOP.

Є кілька позначень DOP у сучасному використанні:

GDOP: Геометрична DOP (позиція в 3-D просторі, девіація часу у вирішенні)

PDOP: Позиційна DOP (позиція у 3-D просторі)

HDOP: Горизонтальна DOP (позиція на площині)

VDOP: Вертикальна DOP (лише висота) Точність будь-якого виміру пропорційно залежить від величини DOP. Це означає, що якщо збільшити DOP вдвічі, то помилка у визначенні позиції зросте також вдвічі.

Рис.44 Геометрія супутника та PDOP Значення DOP є назад величиною по відношенню до обсягу чотиригранника, утвореного позиціями супутника та користувача (Рис.44 та Рис. 45). Найкраще геометричне розташування при максимальному обсязі, і, отже, мінімальному PDOP.

Рис. 45: Вплив розташування супутника на DOP

– – –

У гористих областях та лісах значення DOP відіграють важливу роль при вимірюваннях при виникненні ситуацій з несприятливим геометричним розташуванням.

Таким чином, необхідно планувати вимірювання відповідно до значень DOP (наприклад, HDOP) або оцінювати кінцеву точність відповідно, особливо при появі різних DOP значень в межах декількох хвилин.

У всіх програмах планування та обчислення показано значення DOP. Рис. 47 показує приклад курсу HDOP, коли немає затінювання (максимальне значення HDOP приблизно 1.9). Рис. 48 показує приклад курсу HDOP за наявності затінення (максимальне значення HDOP вище 20 разів!). Область між 180° та 270° закрита хмарочосами та область між 270° та 180° закрита горами.

Рис.47: Значення HDOP за період 24 години без затінювання (макс.значення 1.9)

– – –

IУ разі великого затінення є кілька миттєвостей із можливим сприятливим значенням DOP (менше 2). Часи зі значеннями DOP більше 6 анульовані.

4.2.5.3 Загальна помилка Точність вимірювання залежить від значення DOP. Це означає, що при подвоєнні DOP помилка також зростає вдвічі.

Зазвичай: Error (1) = 1 Total RMS Value DOP Value Error (2) = 2 Total RMS Value DOP Value У таблиці 7 отримано значення сигма 1 (1 = 68%) та сигма 2 (2 = 95%). Ці значення правильні для середнього розміщення супутників при HDOP = 1.3. p align="justify"> Реалізація зручних методів корекції (таких, як взаємопов'язані супутники (Differential GPS, DGPS (див. розділ 6))) може зменшити або усунути число джерел помилки (зазвичай на 1 ... 2 м, 1 сигма значення).

– – –

Таблиця 7: Загальна помилка при HDOP = 1.3 Зазвичай точність вище, ніж зазначено у таблиці. US-Federal Aviation Administration показала, що в 95% випадках всіх вимірювань горизонтальна помилка була меншою на 7.4 м і вертикальна помилка була меншою на 9.0 м. Тимчасовий період склав 24 години.

U.S.DoD гарантує, що система забезпечить стандартним цивільним додаткам точність по горизонталі 13 м, по вертикалі 22 м та за часом ~40 нс. При застосуванні спеціальних заходів, наприклад DGPS, збільшення часу вимірювання та технічних методів (вимірювання фази) точність позиції може зрости до сантиметра.

– – –

5.1 Вступ Важливою проблемою при використанні GNSS є безліч координатних систем у світі.

В результаті, позиція, виміряна та обчислена системою GNSS, не завжди збігається з передбачуваною.

Для того щоб розуміти, як функціонує система GNSS, необхідно звернутися до основ науки, яка має справу зі спостереженням та розподілом Земної поверхні, геодезії. Без цього основного знання важко зрозуміти, чому потрібно вибирати з 100 різних систем і приблизно 10 різних сіток. Якщо зробити неправильний вибір, помилка позиції може становити кількасот метрів.

5.2 Геоїди Ми знаємо, що земля кругла з часів Колумба. Але чи це коло насправді? Опис форми синьої планети завжди було неточною наукою. Декілька інших методів намагаються протягом століть точно описати форму справжньої Землі. Геоїд є апроксимацією цієї форми.

В ідеальній ситуації гладка морська поверхня формує частину поверхні рівня, яка у геометричному сенсі означає "поверхню" Землі. За аналогією зі словом Грек для Землі, ця поверхня названа геоїдом (Мал. 27).

Геоїд можна визначити як математичну фігуру з обмеженою мірою точності і не без кількох довільних припущень. Справа в тому, що розподіл маси Землі непарний і, в результаті, поверхні рівня океанів і моря не лежать на поверхні геометричної форми; тому потрібні апроксимації.

На відміну від фактичної форми Землі, геоїд – теоретичне тіло, чию поверхню перетинають лінії поля гравітації скрізь під прямим кутом.

Геоїд часто використовується як поверхня для вимірювання висоти. Контрольна точка знаходиться у Швейцарії - "Repere Pierre du Niton (RPN, 373.600 м) в Женевському басейні. Від цієї висоти відраховуються точки наступних вимірювань для вказівки розмірів порту Marseilles (висота над рівнем моря 0.00 м).

– – –

Рис. 49 Геоїд є апроксимацією поверхні Землі

5.3 Еліпсоід та дані 5.3.1 Сфероїд Геоїд, проте, дуже важка форма для обчислень. Для щоденних спостережень потрібна простіша форма. Така форма відома як сфероїд. Якщо поверхню еліпса обертати навколо своєї симетричної південно-південної осі, то в результаті вийде сфероїд. (Мал. 50).

Сфероїд визначається двома параметрами:

Велика піввісь а (на екваторіальній площині)

Мала піввісь б (вісь північного та південного полюсів) Значення, на яке форма відхиляється від ідеальної сфери, називається вирівнюванням (f).

– – –

5.3.2.1 Локальні еліпсоїди При роботі зі сфероїдом будьте уважні, оскільки природний перпендикуляр не перетинається вертикально в точці з еліпсоїдом, але перетинається з геоїдом. Нормальний еліпсоїдальний та природний перпендикуляри різні "вертикальним відхиленням" (Рис. 52), тобто існують точки на Земній поверхні, спроектовані неправильно. Для того, щоб це відхилення було мінімальним, кожна країна створила свій власний не геоцентричний сфероїд як поверхню для спостереження (Мал. 51). Півосі a та b та середня точка обрані таким чином, щоб типи геоїду та еліпсоїда національних територій були якомога точнішими.

5.3.2.2 Дані системи карт Національні або міжнародні системи карт, засновані на певних типах еліпсоїдів, названі базисами. Залежно від картки, що використовується приймачами GPS, потрібно перевіряти, чи необхідна система карт введена в приймач.

Деякі приклади цих систем – понад 120 – CH-1903 для Швейцарії, WGS-84 – глобальний стандарт, та NAD83 для Північної Америки.

– – –

Рис. 51 Локальні еліпсоїди Сфероїд добре підходить для опису позиційних координат точки в градусах довготи та широти.

Інформація про висоту базується на геоїді або на локальному еліпсоїді. Відмінність між виміряною ортометричною висотою H, тобто заснованої на геоїді, і висотою місцевого еліпсоїда h називається geoid ondulation N (Рис. 30)

– – –

Інші системи відліку використовуються в Європі, і кожна система, яка використовується для технічних програм у вигляді спостереження, має власне ім'я. Чи не геоцентричні еліпсоїди, які формують базис, зібрані в наступній таблиці (Таблиця 8). Від країни до країни ці еліпсоїди дещо відрізняються.

– – –

5.3.4 Всесвітній еліпсоїд WGS-84 Відображені деталі та обчислення, зроблені приймачем GPS, включають систему відліку WGS-84.

WGS-84 координатна система геоцентрично позиціонована щодо центру Землі. Така система називається ECEF. WGS-84 координатна система - тривимірна, правоорієнтована, Декартова система координат зі своїм центром мас (= геоцентрик) еліпсоїда, що апроксимує загальну масу Землі.

Позитивна X-вісь еліпсоїда (Мал. 53) лежить на екваторіальній площині (уявна поверхня, яка охоплена екватором) і проходить через центр мас через точку, в якій екватор перетинає меридіан Greenwich (0 меридіан). Y-вісь також лежить на екваторіальній площині та зміщена на 900 на схід від X-осі. Z-вісь лежить перпендикулярно X та Y осям і проходить через географічний північний полюс.

– – –

6,378,137.00 298,257223563 6,356,’752.31 Таблиця 9 Еліпсоід WGS-84 Еліпсоідальні координати (, h), які краще, ніж Декартові координати (X, Y, Z), зазвичай використовуються для подальшої обробки (Рис. 54). відповідає широті - довготі і h еліпсоїдальної висоті, тобто довжині вертикальної лінії P в еліпсоїді.

– – –

Таблиця 54. Ілюстрація еліпсоїдальних координат 5.3.5 Трансформація з локального у всесвітній еліпсоїд 5.3.5.1 Геодезичні дані Як правило, локальні системи відліку кращі за геоцентричні еліпсоїди. Співвідношення між локальною (напр. CH-1903) та глобальною геоцентричною системою (напр. WGS-84) називається геодезичними даними. Якщо осі локального і глобального еліпсоїда паралельні, або можуть вважатися такими для додатків в межах локальної області, то все, що необхідно для переходу - три параметри зміщення, звані константами переміщення X, Y, Z.

Далі три кути обертання x, y, z та коефіцієнт масштабування m (Рис. 55) можна додати, щоб повна формула перетворення містила 7 параметрів. Геодезичні дані визначають позицію локальної тривимірної Декартової системи координат по відношенню до глобальної системи.

– – –

Рис.55 Геодезичні дані Наступна таблиця (таблиця 10) показує приклади різних параметрів даних.

Додаткові значення можна знайти у .

– – –

Таблиця 10 Параметри даних 5.3.5.2 Конверсія даних Перетворення даних означає перетворення тривимірної Декартової системи координат (напр.

WGS-84) в іншу (напр. CH-1 903) за допомогою тривимірного переміщення, обертання та розширення.

Геодезичні дані повинні бути відомі для цього перетворення. Вичерпні конверсійні формули можна знайти у спеціальній літературі чи перетворення можна провести безпосередньо через Internet. Як тільки перетворення відбулося, Декартові координати можна трансформувати в еліпсоїдальні координати.

5.3.6 Конвертування координатних систем 5.3.6.1 Конвертування Декартових у еліпсоїдальні координати Декартові та еліпсоїдальні координати можуть бути перетворені від одних до інших.

Перетворення залежить від квадранту. Як приклад, розглянемо перетворення для центральної Європи. Це означає, що величини x, y та z є позитивними.

– – –

Еліпсоідальні координати можна конвертувати в Декартові.

5.4 Координати на площині, проекція Зазвичай, при дослідженні поверхні позиція точки P на Земній поверхні описується еліпсоїдальними координатами широти та довготи (на основі еліпсоїда), а також висоти (на основі еліпсоїда або геоїду).

Геодезичні обчислення (напр. відстань між двома побудовами) в еліпсоїді чисельно дуже незручні, тому для технічних методів використовуються еліпсоїдальні проекції на площину. Це призводить до координат правоорієнтованих X і Y. Більшість карт мають сітку, яка пристосовує точку до будь-якої місцевості. Планарні координати є проекціями еліпсоїдальних координат на математичну площину. Проектування еліпсоїда на площину неможливе без спотворень, але прийнятно, якщо викривлення мінімальні.

– – –

5.4.1 (Transverse Mercator Projection) Проектування Gauss-Kruger є тангенціальним, конформним, поперечним Mercator проектуванням. Еліптичний циліндр позиціонований навколо сфероїда, корпус циліндра приходить у контакт з еліпсоїдом вздовж меридіану Greenwich та біля полюсів. Для того щоб тримати поздовжні та поверхневі спотворення на мінімумі, у еліпсоїда Bessel взято три зони на широті 30. Ширина зони позиціонована навколо первинного меридіана. Циліндр розташований під кутом до еліпсоїда, тобто повернутий на 900 (Мал. 56). Щоб звести спотворення поверхні до мінімуму, використовуються 3° широкі зони обертання еліпсоїда. Ширина зони фіксована довкола центрального меридіана. Різні центральні меридіани використовуються в залежності від регіону (e. g. 6 °, 9 °, 12 °, 15 °, ....).

– – –

Значення у північному/південному напрямку вважаються від екватора. Щоб уникнути негативних значень у західному/східному напрямку для центрального меридіана, прийнято значення +500000 м (Зміщення). Число градусів центрального меридіана ділиться на три і розміщується перед цим значенням.

Приклад позиції:

Координати еліпсоїда: N:46.86154° E 9.51280° Gauss-Krger (Центральний меридіан: 9°): N-S: 5191454 W-E: 3539097 Позиція – це відстань у 519149 9 і 3

5.4.2 UTM проекція На відміну від Gauss-Krger, проекція UTM (Universal Transversal Mercator) проектується майже на всю поверхню Землі на 6020 = 1200 площин. Фактична проекція обертання еліпсоїда на трансверсальний циліндр виконується відповідно до процесів у проекції Gauss-Krger.

UTM система часто заснована на WGS84 еліпсоїд. Однак вона лише визначає проекцію та координатну систему, а не еліпсоїд та геодезичні дані.

UTM система поділяє весь світ на 6° широких поздовжніх зон (Мал. 57). Ті, що мають номери від 1 до 60, починаються з 180 ° W і закінчуються 180 ° E. Якщо, наприклад, зона 1 розташовується від 180 ° W до 174 ° W, центральний меридіан цієї зони знаходиться в 177 ° W, зона 2 розташовується від 174 ° W до 168 °, центральний меридіан зони 2 знаходиться в 171 ° W і т.д.

Основи супутникової навігації Координатні системи GPS-X-02007-C стор.64 Центральними меридіанами для кожної зони проекції є 3°, 9°, 15°, 21°, 27°, 33°, 39°, 45°, 51°, 57 °, 63°, 69°, 75°, 81°, 87°, 93°, 99°, 105°, 111°, 11 7°, 123°, 129°, 135°, 141°, 147°, 153° , 159 °, 165 °, 171 °, 177 ° східної (E) і західної (W) (довготи) (Мал. 58).

Напрямки північ-південь (на полюси) поділяються додатково на зони, за винятком 8° широти та ідентифікуються назвами з C. Допускається зона лише між 80° південної довготи до 84° північної довготи. Лінія від 80 ° південної довготи до 72 ° північної довготи позначається як Сектор C, лінія від 72 ° південної довготи до 64 ° південної довготи як Сектор D і т.д. Виняток становить область, відома як широта X між 72 ° північної довготи і 84 ° північної довготи. Це 12 ° широта.

Рис. 57: Принцип проектування однієї зони (6) Рис. 58: Позначення зон, що використовують UTM, з прикладами

– – –

5.4.3 Шведська проекційна система (конформна подвійна проекція) Конформне проектування еліпсоїда Bessel на площину має два етапи. Еліпсоїд спочатку проектується на сферу, а потім сфера проектується на площину за допомогою циліндра, встановленого під гострим кутом. Цей процес відомий як подвійне проектування (Мал.

59). Основна точка еліпсоїда (Стара обсерваторія в Берні) спроектована на площину з урахуванням справжньої координатної системи (зі зсувом: YOst = 600,000 м та XNord = 200,000 м).

Дві різні установки координат виділені на карті Швейцарії (масштаб 1:25000):

Координати поверхні (X та Y в кілометрах), спроектовані на площину з відповідною сіткою

Географічні координати (довгота та широта в градусах та секундах), засновані на еліпсоїді Bessel

– – –

Рис.59 Принцип подвійного проеціювання Транзитний час сигналів з 4 супутників повинен бути відомий для отримання координат позиції.

Тільки після основного обчислення та перетворення координати позиції у Швеції будуть відповідати дійсності (Мал. 60).

– – –

Є кілька можливостей в Інтернеті для перетворення однієї координатної системи на іншу .

5.4.4.1 Конвертування WGS-84 координат у CH-1903 координати як приклад.

(Взято з "Bezugssysteme в der Praxis" (практичні системи відліку) Urs Marti та Dieter Egger, Федеральний Офіс Національної Топографії).

Увага! точність близько 1 метра!

1.Конвертування довготи та широти Довгота та широта у WGS-84 повинні бути перетворені в шістдесяткові секунди[‘’]

Приклад:

1. Після конвертування широта 46° 2' 38.87” (WGS-84) стане 165758.87”. Це означає як B: B = 165758.87”.

2. Після конвертування довгота 8° 43' 49.79” (WGS-84) стане 31429.79”. Це означає L: L = 31429.79”.

2.Розрахунок допоміжних величин

Приклад:

3. Обчислення абсциси (W ... E): y

Приклад:

4.Обчислення ординати (S ... N): x

Приклад:

5. Обчислення висоти H:

Приклад:

Після конверсії, висота WGS-84 = 650.60 м виходить H = 600 м

– – –

6.1 Вступ Попередницею всіх систем GNSS була система GPS. Фактично вона використовувалася так часто, що під терміном супутникової навігації розуміється саме GPS. Розроблена GPS має деякі обмеження, які вимагали покращення технології. Цей розділ вивчає технологічні досягнення GPS, які стали стандартами і для GNSS.

Спочатку розроблена для військових цілей, зараз GPS система переважно використовується для цивільних додатків, таких як спостереження, навігація, позиціонування, вимірювання швидкості, визначення часу, моніторингу і т.д. GPS не була призначена для додатків з високими вимогами щодо точності, заходів безпеки або роботи в закритих приміщеннях. З цієї причини пізніше були потрібні зміни.

Збільшення точності позиціонування з'явився Differential-GPS (D-GPS).

Покращення точності позиціонування та надійності (стабільність дуже важлива для програм безпеки), для цього були створені SBAS (Satellite Based Augmentation System) такі як EGNOS та WAAS.

Поліпшення чутливості в закритих приміщеннях або зменшення часу захоплення була запропонована версія Assisted-GPS (A-GPS).

Поліпшення якості прийому GPS приймачів безперервно удосконалювалося, також підвищувалася чутливість приймачів за допомогою високочутливого GPS (HSGPS).

6.2 Джерела помилки GPS

Точність позиціонування становить приблизно 13 м для 95% всіх вимірів (з HDOP точність складе 1.3 м) і як обговорювалося в попередньому розділі, ця точність недостатня для додатків. Для підвищення точності до метра і краще потрібні екстра зусилля. Різні джерела додають помилку у вимірювання GPS. Ці випадки та джерела наведені в Таблиці 11. Дані значення є зразковими і можуть змінюватись від приймача до приймача.

– – –

Рис. 61: Вплив часу вимірювання на відображення

Вплив приймача: подальші помилки виникають через шум вимірювань приймача GPS та затримок за часом у приймачі. Сучасні технології можуть зменшити цей ефект.

Вплив розташування супутника, включаючи затінення (DOP): цей ефект буде детально обговорюватись у розділі 4.2.5.2.

6.3 Можливості зменшення помилки вимірювання Зменшення впливу помилок вимірювання призведе до підвищення точності позиціонування. Різні варіанти використовуються для цього та часто комбінуються. Найчастіше зустрічаються:

Вимірювання подвійної частоти: L1/L2 сигнали використовують для компенсації ефекту іоносфери. Такі приймачі вимірюють сигнали GPS на частоті L1 та L2. Якщо радіосигнал передається через іоносферу, він уповільнюється пропорційно його частоті. Порівнюючи отримані часи обох сигналів, можна визначити затримку і, отже, ефект іонізації.

Геофізичні коригувальні моделі. Такі моделі використовуються для первинної компенсації ефектів іоносфери та тропосфери. Коригувальні фактори використовуються лише у спеціальних та обмежених областях.

Differential GPS (DGPS): під час розгляду однієї чи кількох базових станцій доводиться коригувати різні помилки. Оцінка корекційних даних цих станцій можлива як після обробки, і у режимі реального часу (RT). Рішення Real Time (RT DGPS) вимагають дані зв'язку між базовою станцією та мобільним приймачем. DGPS застосовує низку інших процесів:

RT DGPS, заснований на стандарті RTCM SC104

DGPS на основі вимірювання затримки транзитного часу сигналу (Корекції псевдодіапазону, досяжна точність 1 м)

DGPS на основі вимірювання фази несучого сигналу (досяжна точність 1 см)

Пост-обробка (послідовна корекція та обробка даних).

Вибір місця та часу вимірювання для покращення видимості або прямого контакту з супутниками (Див. пояснення на DOP 4.2.5).

– – –

Теоретично, досяжний рівень точності приблизно 15 - 20 м. Для дій, потребують точність близько 1 див, точність має бути вище. Промисловість знайшла просте та надійне вирішення цієї проблеми: Диференціал GPS (DGPS). Принцип DGPS дуже простий. Відлікова станція GPS встановлена у точці з відомими координатами. Відлікова станція GPS визначає позицію людини за допомогою чотирьох супутників. Оскільки точна позиція станції відома, можна вирахувати будь-яке відхилення від виміряної фактичної позиції. Це відхилення (диференціальна позиція) також дійсне для будь-яких приймачів GPS у межах радіуса 200 км від станції.

Диференціальну позицію можна використовувати для корекції позиції, виміряної іншими приймачами GPS (Мал. 62). Будь-яке відхилення від позиції може передаватися безпосередньо по радіо або його корекція можлива після отримання вимірювань. На основі цього принципу точність може зрости до кількох міліметрів Важливо, щоб корекція була заснована на значеннях псевдодіапазону, а не відхиленням позиції від відлікової станції GPS. Відхилення засновані на псевдодіапазонах певних супутників і можуть відрізнятися залежно від позиції, яку використовує супутник. Корекція на основі просто відхилення від позиції відлікової базової станції до уваги не береться і дасть помилкові результати.

– – –

Рис. 62 Принцип роботи GPS зі станцією відліку 6.3.1.1 Детальний метод роботи Ефекти іоносфери безпосередньо впливають на неточність даних У технології DGPS більшість подібних помилок можна компенсувати.

Компенсація відбувається у трьох фазах:

1. Визначення корекційних значень станції відліку

2. Передача корекційних значень від станції до користувача користувача

3. Коригування псевдо-діапазону, виміряного користувачем 6.3.1.2 Визначення корекційних значень Відлікова станція, координати якої точно відомі, вимірює L1 транзитний час сигналу від всіх видимих супутників GPS (Рис. 63) і визначає псевдо-діапазон цієї зміни. Оскільки позиція станції відома точно, можна обчислити дійсну відстань (цільова величина) до кожного супутника GPS

– – –

Рис.63 Визначення корекційних значень 6.3.1.3 Передача корекційних значень Оскільки величини корекції можна використовувати в межах великої території для корекції виміряного псевдо-діапазону, їх можна без затримки передати за допомогою будь-якого придатного пристрою (передавач, телефон, радіо, і т.д.). п.) іншим користувачам GPS (Мал. 39).

– – –

Рис.64 Передача корекційних значень 6.3.1.4 Коригування виміряного псевдодіапазону Після отримання значень корекції користувач GPS може визначити дійсну відстань, використовуючи виміряний псевдо діапазон (Мал. 65). Точну позицію користувача тепер можна вирахувати з цієї величини. Усі причини помилки усунуті крім шуму приймача і відбитих сигналів.

– – –

Рис.65 Коригування виміряного псевдо-діапазону 6.3.2 DGPS, заснований на вимірі несучої фази При вимірі псевдо-діапазону точність близько 1 метра недостатня для вирішення проблем спостереження. Для підвищення точності до кількох міліметрів необхідно оцінити фазу несучого сигналу. Довжина хвилі, що несе, приблизно 19 см. Діапазон супутника можна визначити, використовуючи наступний метод (Мал. 66).

– – –

Рис.66 Принцип виміру фази Вимірювання фази є невизначеним процесом, оскільки N невідомо. Спостерігаючи за кількома супутниками у різні моменти часу і безперервно порівнюючи приймач користувача з відліковим (під час або після вимірювання), можна визначити позицію з точністю до кількох міліметрів після розв'язання численних комплектів рівнянь.

6.3.3 DGPS пост-обробка (Транзитний час сигналу та вимірювання фази)

DGPS пост-обробка виконує пошук коригувальних факторів, використовуючи відповідне програмне забезпечення після проведення вимірювань. Відлікові дані беруться від приватних відлікових станцій або від загальнодоступних серверних систем. Недолік полягає в тому, що проблема з даними (поганий прийом із супутника, пошкоджений файли і т.д.) іноді не виявляється після того, як коригувальні значення обчислені та передані, вимагаючи повторення всього процесу.

– – –

Таблиця 12: Процес передачі різних сигналів (для вимірювання коду та фази) Більшість країн мають власні системи передачі корекційних даних. Детальний опис цих систем не входить до цього посібника. Деякі окремі системи будуть розглянуті нижче.

– – –

6.3.6 Стандарти передачі для корекційних сигналів DGPS транслятори передають транзитний час сигналу та корекції несучої фази. Для більшості GBAS та деяких супутників на основі систем WADGPS (LandStarDGPS, MSAT, Omnistar або Starfire) корекційні дані DGPS передаються відповідно до стандарту RTCM SC-104. Як правило, приймач повинен бути обладнаний спеціальним декодером для отримання та обробки даних. Супутник на основі систем Augmentation Systems, таких як WAAS, EGNOS і MSAS, використовує стандарт RTCA DO-229. Оскільки частоти RTCA і формати даних сумісні з усіма GPS, сучасні приймачі GNSS можуть обчислити RTCA дані без додаткового обладнання, на відміну від RTCM (Мал. 67).

У Таблиці 13 наведено стандарти, що використовуються для корекційних сигналів DGPS, а також посилання, що стосуються GNSS.

– – –

6.4.1 GBAS сервіси Серед великої кількості наземних DGPS сервісів відомі такі сервіси як Ground Based Augmentation Services (GBAS), опишемо їх тут докладніше. У багатьох країнах використовуються такі системи. Наступний список описує деякі сервіси GBAS, доступні в Європі.

6.4.2 Європейські GBAS сервіси

SAPOS: (German Surveying and Mapping Administration Satellite Positioning Service) є DGP S сервісом, що постійно працює. Дані послуги доступні по всій Німеччині. Основною системою є мережа відлікових станцій GPS. Для корекції значень у режимі реального часу дані передаються з використанням УКХ радіо, довгих хвиль, GSM та власних двометрових (VHF) частот. УКХ радіопередавачі транслюють сигнал корекційних даних у RASANT (Radio Aided Satellite Navigation Technique) форматі. Це конверсія RTCM 2.0 для передачі даних у Radio Data System (RDS) форматі з використанням УКХ звукової трансляції. SAPOS включає чотири сервіси з різними характеристиками і точністю:

SAPOS EPS: сервіс позиціонування в режимі реального часу o SAPOS HEPS: сервіс високоточного позиціонування в режим реального часу o SAPOS GPPS: сервіс точного точного позиціонування o SAPOS GHPS: сервіс геодезичного високоточного позиціонування

ALF: (Accurate Positioning by Low Frequency) транслятори корекційних значень з виходом 50 кВт з Mainflingen, Німеччина (біля Франкфурта). Довгохвильовий транслятор DCF42 (LW, 123.7 КГц) передає корекційні значення на відстань 600-1000 км. Ця верхня бічна смуга (USB) є фазомодульованою (Bi-Phase-ShiftKeying BPSK). Німецький федеральний центр картографії та геодезії спільно з German Telecom service (DTAG) забезпечують цей сервіс. При покупці необхідного декодера, користувач платить один раз. Через те корекційні дані поширюються на довгих хвилях, вони можуть бути отримані за наявності затінення.

AMDS: (Amplitude Modulated Data System) призначено для цифрової передачі на середніх та довгих частотах, використовуючи існуючі радіотранслятори. Дані є фазомодульовані і передаються на відстань 600 - 1000 км.

Swipos-NAV: (Swiss Positioning Service) представляє корекційні дані з використанням FM-RDS або GSM. Radio Data System RDS є Європейським стандартом цифрових даних із використанням мережі УКХ трансляторів (FM, 87-108 МГц). RDS був розроблений для забезпечення інформацією в діапазоні вище УКХ. RDS дані модулюються частотою 57 КГц на несучій FM. Користувачеві необхідний RDS декодер для розширення корекційних значень DGPS. Для гарантії хорошого прийому потрібен прямий контакт із УКХ транслятором. Користувачі даного сервісу можуть платити щорічно або один раз при покупці.

Радіомаяки: радіомаяки є спорудами навігації та встановлюються, як правило, вздовж берегів. Корекційні сигнали DGPS зазвичай передають частоті приблизно 300 КГц. Швидкість сигналу варіюється в залежності від транслятора і становить 100 та 200 біт в секунду.

Основи супутникової навігації Додатки GPS: DGPS, SBAS, A-GPS та HSGPS GPS-X-02007-C стор.77

6.5 Глобальна область DGPS (WADGPS) 6.5.1 Satellite Based Augmentation Systems, SBAS (WAAS, EGNOS) 6.5.1.1 Введення Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) використовується для посилення функцій GPS, GLONASS і GALILEO (як тільки вона стане робочою. Корекційні та достовірні дані GPS або GLONASS транслюються з геостаціонарних супутників над частотою GNSS.

6.5.1.2 Найбільш важливі функції SBAS SBAS значно кращий за GPS, оскільки точність позиціонування і надійність вище. SBAS, на відміну від GPS, здійснює додаткову передачу сигалів від різних геостаціонарних супутників.

Збільшення точності позиціонування з використанням корекційних даних: SBAS забезпечує різні корекційні дані, які підвищують точність позиціонування GNSS. Іоносферна помилка, що виникає через затримку сигналу, скоригована. Іоносферна помилка варіюється в залежності від часу дня та місцевості. Для перевірки глобальної правильності даних необхідно обробити мережу наземних станцій для обчислення іоносферної помилки. На додаток до іоносферних значень SBAS перевірять корекційну інформацію щодо розташування супутника (ефімеріс) та вимірювання часу.

Підвищення надійності та безпеки: SBAS перевіряє кожні супутник GNSS та повідомляє користувача про виникнення помилки або поломки протягом 6 с. Інформація так/ні передається, тільки якщо якість отриманих сигналів нижче певних меж.

Збільшення доступності через трансляцію навігаційної інформації: SBAS геостаціонарні супутники передають сигнали, схожі на сигнали GNSS, хоча вони пропускають дані точного часу. GNSS може визначити позицію цих сигналів, використовуючи процедуру під назвою “pseudoranging”.

6.5.1.3 Огляд існуючих та планованих систем Хоча всі Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) включають великі регіони (наприклад, Європу), вони повинні бути сумісні один з одним, і провайдери SBAS повинні співпрацювати і домовлятися про загальні принципи роботи. Сумісність гарантується застосуванням стандарту RTCA DO-229C. В даний час SBAS системи визначені для областей, наведених нижче, які працюють або знаходяться у розробці та є сумісними (Рис. 68):

Північна Америка (WAAS, US Area Augmentation System): US Federal Aviation Administration (FAA) веде розробку Wide Area Augmentation System (WAAS), яка покриває більшу частину континентального США, а також Аляску і Канаду. WAAS працює з супутниками POR та AOR-W. Ці супутники мають стати активними у 2007/2008 роках. Безперервну роботу даного сервісу буде досягнуто за допомогою двох нових супутників, розташованих на 133°W і 107°W. Планується розширити сервіс Канаду з допомогою Канадської системи “CWAAS”.

Європа (EGNOS, European Geostationary Overlay Service): Європейська група трьох, включаючи ESA, Європейський союз та EUROCONTROL, розробляють EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay Service. EGNOS призначений для регіону European Civil Aviation Conference (ECAC). У червні 2006 року EGNOS не був повністю схвалений для роботи з програмами високої безпеки (наприклад, з авіацією). Остаточний випуск системи заплановано на 2007/2008 роки. Поточний стан супутників EGNOS можна вивчити у .

Японія (MSAS, Multifunctional Satellite Based Augmentation System): Японський офіс Civil Aviation розробляє систему MTSAT на основі Augmentation System (MSAS), яка покриватиме весь простір Японії.

Основи супутникової навігації Додатки GPS: DGPS, SBAS, A-GPS та HSGPS GPS-X-02007-C стор.78

Індія (GAGAN, GPS та GEO Augmented Navigation): Indian Space Research Organization (ISRO) намагається розробити систему, сумісну з іншими SBAS системами. Початок цієї системи покладуть 4 GSATсупутники, запуск яких планується у 2007 році. Планується створити незалежну систему GNSS для Індії під назвою Indian Regional Navigational Stellite System (IRNSS).

Китай(Beidou): Beidou система включає три геостаціонарні супутники (140°E, 110.5°E and 80°E), що належать Китайському уряду, система замислювалася як регіональне розширення Китайської навігаційної системи COMPASS. Остаточне введення системи в експлуатацію невідоме.

Рис. 68: Позиція та засоби WAAS, EGNOS, GAGAN та MSAS

Геостаціонарні супутники (Таблиця 14) транслюють сигнали з висоти приблизно 36,000 км над екватором у бік області використання. Pseudo Random Number (PRN) визначено для кожного супутника. Частота трансляції сигналів така сама як GPS (L1, 1575.42 МГц).

– – –

Рис. 69: Принцип всі системи Satellite Based Augmentation Systems SBAS

Відлікова станція: в області SBAS є кілька базових відлікових станцій, об'єднаних у спільну мережу. Базові станції одержують GNSS. Вони уважно вивчаються стосовно позиції. Кожна базова станція визначає різницю між фактичною та обчисленою позицією щодо супутників (псевдодіапазон). Дані потім передаються керуючого центру.

Керуючий центр: керуючі центри виносять оцінку корекційним даним від базових відлікових станцій, визначають точність всіх GNSS сигналів, отриманих від кожної відлікової станції, розраховують похибки, можливість виникнення турбулентності в іоносфері та перевіряють достовірність системи GNSS. Зміни даних інтегруються в сигнал і передаються через наземні супутникові станції.

Супутникові наземні станції: ці станції транслюють сигнали різним геостаціонарним супутникам.

– – –

6.5.2 Супутникові сервіси DGPS з використанням RTCM SC-104 Декілька геостаціонарних супутників безперервно транслюють корекційні дані. Нижче наведено деякі з цих сервісів. Дані послуги використовують стандарт RTCM SC-104 і вимагають спеціального декодера.

MSAT: розроблений National Research Council у Канаді, цей сервіс транслює CanadaWide DGPS (CDGPS) сигнали, використовуючи два геостаціонарні супутники.

Omnistar (Fugro Group) і LandStar-DGPS (Thales Company), незалежно транслюють корекційні дані через 6 GEO супутників (Мал. 70). Сервіси платні та користувачі повинні мати доступ до спеціального приймача/декодера для його використання. Omnistar та Landstar транслюють інформацію на частоті L-band (1-2 ГГц) на землю. Базові станції поширені у всьому світі. Геостаціонарні супутники розташовані на центральній широті низько над горизонтом (10...30°). Знаходження в межах прямої видимості потрібне для радіоконтакту.

Рис. 70: Зона розподілу LandStar-DGPS та Omnistar

Starfire Property of NavCom Technology, Inc. транслює корекційні дані через 3 Inmarsat GEO супутника. Сервіс платний та користувач повинен мати доступ до спеціального приймача/декодера для його використання. Starfire транслює інформацію на частоті Lband (1-2 ГГц) на землю. Відповідні базові станції поширені у всьому світі. Сервіс доступний у діапазоні від ±76° широти.

– – –

Таблиця 16: Точність позиціонування без та з DGPS/SBAS

6.7 Assisted-GPS (A-GPS) 6.7.1 Принцип A-GPS Припустимо, що пристрої для Location Based Services (LBS, див. 9.2.1) працюють не завжди. Особливо у випадках, коли локалізація отримана з GNSS, оскільки робота від батарей припиняється під час тривалих стаціонарних періодів для мінімізації споживаної потужності. Оскільки GNSS пристрій працює не завжди, є ймовірність, що інформація щодо позиції супутника може бути недоступною. При неактивності 2 і більше годин для запуску слід завантажити орбітальні дані супутників. GNSS приймачеві зазвичай необхідні останні 8-36 секунд для отримання орбітальних даних та обчислення позиції. У важких умовах прийому (у місті, де високі будівлі закривають прямий огляд неба) обчислення першої позиції може зажадати кілька хвилин.

За відсутності орбітальних даних GNSS приймачі повинні здійснити пошук доступних супутників, завантажити дані та обчислити позицію. Пошук GPS супутників (наприклад) за КодомЧастоти-Рівнем займає багато часу. Час кореляції зазвичай становить 1 мс (1 C/A період) на позицію за кодом-частотою-рівнем. Якщо частотний діапазон буде розбитий на 50 кроків (тобто частотний інтервал становить (2 x 6000 / 50 Гц = 240 Гц), тоді потрібно пройти 1023 x 50 = 51,150 позицій, що займе 51 секунду. Див. Розділ 6.8.

Цю проблему можна виправити отриманням супутникових орбітальних даних та додаткової доступної GNSS інформації, використовуючи інші канали зв'язку, наприклад через GSM, GPRS, CDMA або UMTS. Дане рішення називається Aiding (допоміжне) та реалізується за допомогою Assisted-GPS. Assisted-GPS (або A-GPS) є функцією чи сервісом, який використовує допоміжні дані для отримання позиції. GNSS приймач отримує допоміжні дані з мобільного зв'язку або безпосередньо через Інтернет.

Допоміжні дані включають наступну інформацію:

Розташування супутника (Альманах)

Точні орбітальні дані (Ефімеріс, орбіти)

Інформація про час

Частота Доплера та Зміщення частоти (Помилка) GNSS приймача Основи супутникової навігації Додатки GPS: DGPS, SBAS, A-GPS та HSGPS GPS-X-02007-C стор.82 З доступною допоміжною інформацією GNSS приймач може швидко обчислити позицію навіть за поганих. Залежно від складності та вмісту допоміжної інформації може сильно змінюватися час запуску. Час запуску також залежить від інтенсивності сигналу GNSS. Зазвичай це відповідає дійсності, але чим більш повна допоміжна інформація, тим швидше проходить запуск. Мобільна станція передачі з вбудованим пристроєм GNSS також вимагає наявності в межах видимості чотирьох супутників. Для використання AGPS GNSS приймачам потрібен інтерфейс для отримання додаткових даних.

Можна заощадити час, усунувши прийом орбітальних даних. На додаток до цього, можна скоротити область пошуку, якщо відомі Частота Допплера та усунення частоти GNSS приймача (Мал. 71). Це призводить до прискорення захоплення сигналу та економить час.

– – –

Допоміжна інформація зібрана в мережі GNSS відлікових станцій (GNSS Reference Network), яка розташована по всьому світу.

Нижче на блоковій діаграмі проілюстрована звичайна A-GPS система (Мал. 72), що складається з глобальної системи приймачів GNSS, центрального сервера, який надає допоміжні дані і A-GPS приймачів (GNSS кінцеві пристрої). GNSS приймачі глобальної мережі одержують відповідну супутникову інформацію та передають її серверу. Сервер обчислює допоміжні дані та передає їх (за мобільним зв'язком або інтернетом) на вимогу GNSS кінцевих пристроїв для швидкого обчислення першої позиції.

– – –

Рис. 72: Система Assisted-GPS 6.7.2 A-GPS з онлайн допоміжними даними (Real-time A-GPS) З принципом онлайн або режимом реального часу допоміжні дані безпосередньо завантажуються з сервера за потребою і є вірними короткий час. Недоліком даного принципує відносно повільний зв'язок (GPRS, наприклад, вимагає 30 с) або відсутність виходу в інтернет.

6.7.3 A-GPS з офлайн допоміжними даними (Predicted Orbits)

A-GPS з офлайн допоміжними даними є системою, що забезпечує GNSS приймач зумовленими орбітальними даними (Predicted Orbits). Приймач зберігає цю інформацію, і зв'язок із сервером переривається. Наступного разу приймач GNSS запускає збережену інформацію, щоб використовувати її для визначення поточної орбітальної інформації для навігації. Отже, не потрібно чекати, поки вся ця інформація буде завантажена з супутників, і приймач може негайно почати навігацію. Залежно від провайдера, допоміжні дані можуть бути вірними до 10 днів, однак згодом точність позиціонування падає.

6.7.4 Мережа

Призначення орбіт, дані про які передаються A-GPS в режимі реального часу, вимагає у всьому світі мережі моніторингових станцій, які безперервно і точно відстежують переміщення супутників. Потужний сервер використовує ці дані для визначення орбіт на найближчі кілька днів. Прикладом такої мережі є International GNSS-Service (IGS, або International GPSService), який у всьому світі утворює мережу (Мал. 73).

– – –

6.8 Високочутливий GPS (HSGPS) Поки потрібні програми термінового виклику або Location Based Services, що вимагають гарного прийому в будівлях і міських каньйонах, якість прийому приймачів GNSS постійно покращується. Основні зусилля спрямовані на:

Підвищення чутливості сигналу

Швидкий пошук під час активації приймача (час першої фіксації, TTFF)

Зниження чутливості до інтерференції (інтерференції відбитих сигналів або електромагнітної інтерференції) Різні виробники використовують різні стратегії для покращення виробів. Більшість із них обговорюється у цьому розділі, включаючи:

Підвищення стабільності генератора

Антени

Аналіз перешкод

Збільшення кореляторів та часу кореляції 6.8.1 Підвищення стабільності генератора Розробка та використання генераторів підвищеної стабільності дозволяє зменшити або компенсувати залежність кварцу від температури, щоб у свою чергу зменшити час пошуку сигналу в необхідних частотних областях. Сюди входять кристалічні генератори із температурною компенсацією (TCXO).

Крім того, дослідження показали, що звичайні кварцові генератори виробляють

9 мікроваріації на частоті 10 Гц. Причиною цих варіацій є неточна структура кварцового кристала. Через ці частотні зміни час пошуку може зрости, оскільки пошук FrequencyCode-Level під час процесу кореляції порушено. Розробка кварцових генераторів зі зниженою тенденцією до мікроваріацій призведе до зменшення перешкод.

– – –

6.8.3 Аналіз перешкод Перешкода (NF) є величиною, яка показує, що співвідношення сигнал/шум вхідного сигналу зменшується за рахунок додавання шуму самого приймача.

– – –

Рис. 74: Блокова діаграма вхідних станів Зі звичайними перешкодами на першій та наступних стадіях посилення в 20 Дб та 1.6 Дб відповідно можливі лише граничні поліпшення з новими технологіями, developments . Подальше просування у цій галузі практично неможливе.

6.8.4 Корелятори та час кореляції Спектральна щільність потужності отриманих GNSS сигналів приблизно на 16 Дб нижче за щільність термічного шуму (див. Рис. 16). Демодуляція і концентрування отриманих сигналів GNSS дає посилення системи GG в 43 Дб (див. Рис. 24).

Збільшення часу кореляції (інтеграція часу або інтервал часу) підвищує чутливість модуля GNSS. Довший корелятор знаходиться на спеціальному частотному рівні, нижче за потрібну інтенсивність GNSS сигналу для антени.

При зростанні часу кореляції на величину k збільшення GR окремо від термічного шуму становитиме:

GR = log10 (k) Подвоєння часу кореляції дає у результаті поділ сигнал – шум у 3 Дб. Насправді збільшення часу кореляції до 20 мс не становить проблеми. При відомому значенні переданих біт даних цей час може додатково зрости. В іншому випадку, можна через некогерентну інтеграцію збільшити час кореляції до 1 секунди, що, однак, призведе до втрати в кілька дБ.

Для підвищення чутливості пошуку збільшено кількість додаткових кореляторів.

Сучасні приймачі GNSS зазвичай мають чутливість приблизно 160 Дбм. Даний GPS оператор (US Department of Defense) гарантує інтенсивність сигналу – 130 Дбм, GNSS приймачі, отже, можуть працювати у будівлях з послабленням сигналу до 30 Дб.

– – –

Рис. 75: GNSS підсилювач (зовнішня антена, електричний адаптер та силовий провід, підсилювач та внутрішня антена)

6.10 Псевдосупутники для внутрішніх програм Псевдосупутники є передавачами на землі, які функціонують аналогічно до GNSS супутників. Псевдосупутники часто використовуються в авіації при посадках. Ця процедуразазвичай не використовується для внутрішніх програм, так як деякі необхідні компоненти дуже дорогі.

– – –

7.1 Вступ Приймачам GNSS потрібні різні сигнали для функціонування (Мал. 76). Ці змінні є передачею після того, як позиція та час успішно будуть обчислені та будуть визначені.

Для різних портативних типів виробів є або міжнародні стандарти обміну даними (NMEA та RTCM), або виробник надає певні формати та протоколи.

– – –

Для передачі обчислених змінних GNSS, таких як позиція, швидкість, курс тощо. на периферійний пристрій (наприклад, комп'ютер, екран, трансівер), модулі GPS мають послідовний інтерфейс (рівні TTL або RS-232). Найбільша частина інформації приймача передається через цей інтерфейс у спеціальному форматі даних. Цей формат сертифікований Національною Морською Асоціацією Електроніки (NMEA), тому обмін даними відбувається без проблем. В даний час дані передаються відповідно до специфікації NMEA-0183. Напр. NMEA визначає комплекти даних для різних програм. GNSS (Супутникова Система Глобальної Навігації), GPS, Loran, Omega, Transit та для різних виробників.

Наступні сім комплектів даних широко використовуються модулями GNSS для передачі GNSS:

1. GGA(GPS Fix дані, дані для GPS системи)

2. GLL(географічна позиція – широта/довгота)

6. VTG(курс над планетою та швидкість планети, горизонтальний курс та горизонтальна швидкість)

7. ZDA (час та дані)

– – –

У разі NMEA швидкість передачі даних 4800 Бод з використанням 8-бітових символів ASCII.

Передача починається зі стартового біта (логічний нуль), далі йдуть вісім біт даних та стоповий біт (логічна одиниця). Біти парності не використовуються.

– – –

Рис.77 Формат NMEA (рівні TTL або RS-232) Різні рівні слід брати до уваги, залежно від рівнів, що використовуються приймачем GNSS - TTL або RS-232 (Мал.

У разі інтерфейсу рівня TTL, логічний нуль відповідає приблизно 0 В та логічна одиниця відповідає робочому напрузі системи (+3.3В... +5В)

У разі RS-232 інтерфейсу, логічний нуль відповідає позитивній напрузі (+3В... +1 5В) та логічна одиниця - негативній напрузі (-3В... -1 5В).

Якщо модуль GPS з інтерфейсом рівня TTL підключено до пристрою з інтерфейсом RS-232, необхідно зробити перетворення рівня (див. 7.3.4).

Деякі модулі GPS дозволяють передавати на швидкості до 38400 біт в секунду.

GPS дані мають таку структуру:

$GPDTS,inf_1,inf_2, inf_3,inf_4,inf_5,inf_6,inf_n*CSCRLF Функції окремих символів або значення символів наведено в таблиці 17.

– – –

Таблиця 17. Опис окремих блоків NMEA DATA SET Максимальна кількість символів, що використовуються, не повинна перевищувати 79. При цьому стартовий знак $ і кінцеві знаки CR)