Принцип действия спутниковых навигационных систем. «Спутниковые навигационные системы. «Спутниковые навигационные системы»

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

Рис.1 Основная функция спутниковой навигации

В 2007 году Система глобального позиционирования (GPS),

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

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

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

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

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

3. Она должна иметь возможность использования гражданским населением.

Основы спутниковой навигации	Введение

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

доступности для новых приложений2 .

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

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

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

Рис. 2 Запуск GPS спутника

1 Спутниковая навигация – это просто

Если Вам нравится. . .

o понимать, как определяется расстояние до молнии

o понимать, как работают основные функции спутниковой навигации

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

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

1.1 Принцип измерения транзитного времени сигнала

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

Глаз опреде

Транзитное время

ляет стартовоевремя

Рис.3 Определение расстояния по вспышке молнии

Расстояние = транзитное время * скорость звука

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

Основы спутниковой навигации

1.1.1 Основные принципы спутниковой навигации

Все спутниковые навигационные системы используют общие принципы определения координат:

Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал.

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

Распространение

Вычисление позиции

Передатчик сигнала с помощью погрешности по времени 1 мкс

Расстояние

Рис.4 В простейшем случае Расстояние определяется временем распространения

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

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

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

Расстояние А

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

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

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

в трехмерном пространстве нам необходимо четыре передатчика сигналов времени.

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

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

Основы спутниковой навигации	Спутниковая навигация это просто

1.1.2 Время прохождения сигнала

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

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

Рис.7 Определение транзитного времени сигнала

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

Основы спутниковой навигации	Спутниковая навигация это просто

1.1.3 Определение позиции на карте

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

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

Рис.8 Позиция приемника в точке пересечения двух кругов

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

Рис. 9 Позиция определяется как точка пересечения трех сфер

Основы спутниковой навигации	Спутниковая навигация это просто

1.1.4 Появление и коррекция ошибки времени

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

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

Долгота(X)

Широта(Y)

Высота(Z)

Ошибка времени(∆t)

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

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

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

Основы спутниковой навигации	Спутниковая навигация это просто

2 GNSS Технология: Пример GPS

Если Вам нравится. . .

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

o знать, как сделан GPS спутник

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

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

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

тогда эта глава для Вас!

2.1 Описание системы

следующих

разделах

рассмотрим

различные

сегменты GNSS технологии Несущая L1 Тактовые импульсы -эфимерис -альманах -состояние -дата, время Сегмент пользователя Рис. 11 Три GNSS сегмента Принятый эфимерис -вычисленный альманах -состояние спутника -коррекции времени От наземной станции Управляющий сегмент Как видно из рисунка 11 есть однонаправленная связь между пространственным сегментом и сегментом пользователя. Управляющие станции на земле имеют двунаправленную связь со спутниками. 2.2 Пространственный сегмент 2.2.1 Перемещение спутника Пространственный сегмент к настоящему времени состоит из 32 действующих спутников (Рис. 12) с орбитами в 6 различных плоскостях (от четырех до пяти спутников в плоскости). Они находятся на высоте 20,180 км над Земной поверхностью и наклонены на 550 к экватору. Каждый спутник совершает круг по орбите за 12 часов. Из-за вращения Земли, спутник будет в своем начальном положении (Рис. 13) после приблизительно 24 часов (23 часа 56 минут, чтобы быть точным).

НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ

Принцип работы системы
навигации

НАВИГАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ

CИСТЕМЫ КООРДИНАТ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СНИЖЕНИЕ ТОЧНОСТИ

СИСТЕМЫ ВРЕМЕНИ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИИ

Основные элементы спутниковой системы навигации

Космический сегмент

Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Пользовательский сегмент

В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Принцип работы системы навигации

Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.

На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии - это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Системы координат

Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли, о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.

Геоцентрические системы координат - системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.

Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:

• радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
• лазерная локация космических аппаратов (SLR),
• доплеровские измерительные системы (DORIS),
• навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.

Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.

В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.

Системы времени

В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.

Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.

Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.

Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.

Атомное время (TAI) - время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.

Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).

Навигационные радиосигналы

Навигационных радиосигналы

При выборе типов и параметров сигналов, используемых в спутниковых радионавигационных системах, учитывается целый комплекс требований и условий. Сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки) сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодирования навигационного сообщения. Также сигналы должны иметь низкий уровень взаимной корреляции для того, чтобы сигналы разных навигационных космических аппаратов надежно различались навигационной аппаратурой потребителей. Кроме того, сигналы ГНСС должны максимально эффективно использовать отведенную полосу частот при малом уровне внеполосного излучения, обладать высокой помехоустойчивостью.

Почти все существующие навигационные спутниковые системы, за исключением индийской системы NAVIC, используют для передачи сигналов диапазон L. Система NAVIC будет излучать сигналы дополнительно и в S диапазоне.

Диапазоны, занимаемые различными навигационными спутниковыми системами

Виды модуляции

По мере развития спутниковых навигационных систем изменялись используемые виды модуляции радиосигналов.
В большинстве навигационных систем изначально использовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной) фазовой модуляцией – ФМ-2 (BPSK). В настоящее время в спутниковой навигации начался переход к новому классу модулирующих функций, получивших название BOC (Binary Offset Carrier)-сигналов.

Принципиальное отличие BOC-сигналов от сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП BOC-сигнала представляет собой не прямоугольный видеоимпульс, а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое постоянное число периодов k. Поэтому сигналы с BOC-модуляцией часто называют меандровыми шумоподобными сигналами.

Использование сигналов с BOC-модуляцией повышает потенциальную точность измерения и разрешающую способность по задержке. Одновременно с этим, уменьшается уровень взаимных помех при совместном функционировании навигационных систем, использующих традиционные и новые сигналы.

Навигационное сообщение

Каждый спутник принимает с наземных станций управления навигационную информацию, которая передается обратно пользователям в составе навигационного сообщения. Навигационное сообщение содержит разные типы информации, необходимые для того, чтобы определить местоположение пользователя и синхронизовать его шкалу времени с национальным эталоном.

Типы информации навигационного сообщения

• Эфемеридная информация, необходимая для вычисления координат спутника с достаточной точностью
• Погрешность расхождения бортовой шкалы времени относительно системной шкалы времени для учета смещения времени космического аппарата при навигационных измерениях
• Расхождение между шкалой времени навигационной системы и национальной шкалой времени, для решения задачи синхронизации потребителей
• Признаки пригодности с информацией о состоянии спутника для оперативного исключения спутников с выявленными отказами из навигационного решения
• Альманах с информацией об орбитах и состоянии всех аппаратов в группировке для долгосрочного грубого прогноза движения спутников и планирования измерений
• Параметры модели ионосферы, необходимые одночастотным приемникам для компенсации погрешностей навигационных измерений, связанных с задержкой распространения сигналов в ионосфере
• Параметры вращения Земли для точного пересчета координат потребителя в разных системах координат

Признаки пригодности обновляются в течение нескольких секунд при обнаружении отказа. Параметры эфемерид и времени, как правило, обновляются не чаще, чем раз в полчаса. При этом период обновления для разных систем сильно отличается и может достигать четырех часов, в то время как альманах обновляется не чаще, чем раз в день.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию и передается в виде потока цифровой информации (ЦИ). Изначально во всех навигационных спутниковых системах использовалась структура вида «суперкадр/кадр/строка/слово». При этой структуре поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров, суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк.
В соответствии со структурой «суперкадр/кадр/строка/слово» формировались сигналы системы БЕЙДОУ, ГАЛИЛЕО (кроме E6), GPS (LNAV данные, L1), сигналы ГЛОНАСС с частотным разделением. В зависимости от системы, размеры суперкадров, кадров и строк могут отличаться, но принцип формирования остается похожим.

Сейчас в большинстве сигналов используется гибкая строковая структура. В этой структуре навигационное сообщение формируется в виде переменного потока строк различных типов. Каждый тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определённый тип информации (указаны выше). НАП выделяет из потока очередную строку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию, содержащуюся в этой строке.

Гибкая строковая структура навигационного сообщения позволяет значительно более эффективно использовать пропускную способность канала передачи данных. Но главным достоинством навигационного сообщения с гибкой строковой структурой является возможность её эволюционной модернизации при соблюдении принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчиков НАП специально указывается, что если НАП в навигационном сообщении встречает строки неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет добавлять в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим типам строк строки с новыми типами. НАП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и, следовательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не нарушается.
Сообщения сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением имеют строковую структуру.

Факторы, влияющие на снижение точности

На точность определения потребителем своих координат, скорости движения и времени влияет множество факторов, которые можно разделить на категории:

1. Системные погрешности, вносимые аппаратурой космического комплекса

   Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры спутника и наземного комплекса управления ГНСС обусловлены в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения.

2. Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала от космического аппарата до потребителя

   Погрешности обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов в атмосфере Земли от скорости их распространения в вакууме, а также зависимостью скорости от физических свойств различных слоёв атмосферы.

3. Погрешности, возникающие в аппаратуре потребителя

   Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП и флуктуационные погрешности, обусловленные шумами и динамикой потребителя.

Кроме того, на точность навигационно-временного определения существенно влияет взаимное расположение навигационных спутников и потребителя.
Количественной характеристикой погрешности определения местоположения и поправки показаний часов, связанной с особенностями пространственного положения спутника и потребителя, служит так называемый геометрический фактор Γ Σ или коэффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обозначение GDOP - Geometrical delusion of precision.
Геометрический фактор Γ Σ показывает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений и зависит от следующих параметров:

• Г п - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве.
  Соответствует PDOP - Position delusion of precision.
• Г г - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали.
  Соответствует HDOP - Horizontal delusion of precision.
• Г в - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали.
  Соответствует VDOP - Vertical delusion of precision.
• Г т - геометрический фактор точности определения поправки показаний часов потребителя ГНСС.
  Соответствует TDOP - Time delusion of precision.

Повышение точности навигации

Существующие в настоящее время глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС позволяют удовлетворить потребности в навигационном обслуживании обширный круг потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей и другие.

Классическим методом повышения точности навигационных определений является использование дифференциального (относительного) режима определений.

Дифференциальный режим предполагает использование одного или более базовых приёмников, размещённых в точках с известными координатами, которые одновременно с приёмником потребителя (подвижным, или мобильным) осуществляют приём сигналов одних и тех же спутников.

Повышение точности навигационных определений достигается за счёт того, что ошибки измерения навигационных параметров потребительского и базовых приёмников являются коррелированными. При формировании разностей измеряемых параметров большая часть таких погрешностей компенсируется.

В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки – контрольно-корректирующей станции (ККС) или системы опорных станций, относительно которых могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей до навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.

Для обеспечения дифференциального режима для большого региона – например, для России, стран Европы, США - передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Системы, реализующие такой подход, получили название широкозонные дифференциальные системы.

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

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

Принцип работы

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

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

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

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

Применение систем навигации

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

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

Современное состояние

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

GPS

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

ГЛОНАСС

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

Бэйдоу

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

Galileo

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

IRNSS

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

QZSS

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

Основные характеристики систем навигационных спутников

параметр, способ	СРНС ГЛОНАСС	GPS NAVSTAR	TEN GALILEO
Число НС (резерв)	24 (3)	24 (3)	27 (3)
Число орбитальных плоскостей	3	6	3
Число НС в орбитальной плоскости	8	4	9
Тип орбит	Круговая (e=0±0.01)	Круговая	Круговая
Высота орбиты, КМ	19100	20183	23224
Наклонение орбиты, градусы	64.8±0.3	~55 (63)	56
Номинальный период обращения по среднему солнечному времени	11ч 15мин 44±5с	~11ч 58 мин	14 ч 4 мин. и 42 с.
Способ разделения сигналов НС	Частотный	Кодовый	Кодово-частотный
Несущие частоты радиосигналов, МГц	L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5	L1=1575.42 L2=1227.60 L5=1176.45	E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75
период повторения дальномерного кода (или его сегмента)	1 мс	1 мс (С/А-код)	нет данных
тип дальномерного кода	М-последовательность (СТ-код 511 зн.)	Код Голда (С/А-код 1023 зн.)	М-последовательность
тактовая частота дальномерного кода, МГц	0.511	1.023 (С/А-код) 10.23 (P,Y-код)	Е1=1.023 E5=10.23 E6=5.115
Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код)	50 зн/с (50Гц)	50 зн/с (50Гц)	25, 50, 125, 500, 100ГЦ
Длительность суперкадра, Мин	2,5	12,5	5
Число кадров в суперкадре	5	25	нет данных
Число строк в кадре	15	5	нет данных
Система отсчета времени	UTS (SU)	UTS (USNO)	UTS (GST)
Система отсчета координат	ПЗ-90/ПЗ90.2	WGS-84	ETRF-00
Тип эфемирид	Геоцентрические координаты и их производные		Модифицированные кеплеровы элементы
Сектор излучения от направления на центр земли	±19 в 0	L1=±21 в 0 L2=±23.5 в 0	нет данных
Сектор Земли	±14.1 в 0	±13.5 в 0	нет данных

Технические детали работы систем

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

Дифференциальное измерение

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

См. также

	Спутниковая система навигации на Викискладе

• Псевдоспутник

Примечания

Ссылки

Международный форум по спутниковой навигации Мероприятие, посвящённое вопросам спутниковой навигации

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

Системы навигации
Спутниковые	Исторические Transit Цикада /Циклон Действующие глобальные GPS ГЛОНАСС Действующие региональные Бэйдоу/Compass Galileo Проектируемые IRNSS QZSS
Наземные	Omega Альфа Loran-C Чайка Decca Consol

Спутниковая навигация
Системы	GPS ГЛОНАСС Галилео Бэйдоу
GPS-устройства	Приёмник Трекер Логгер
Чипсеты	SiRFstar III SiRFatlasIV SiRFatlasV
Протоколы	NMEA
Технологии	A-GPS S-GPS
Проекты	Геокэшинг Поиск пересечений AlterGeo GPS-Trace Orange
Сервисы картографии

Управление образования

администрации Балашовского муниципального района

Районная научно-практическая конференция учащихся

«Юные лидеры образования»

_______________________________________________________

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Гуманитарно-педагогический лицей-интернат

г. Балашова Саратовской области

«Спутниковые навигационные системы»

секция: «Информатика и современные компьютерные технологии»

Выполнил: Есиков Ярослав,

ученик 11 ф/м класса

Руководитель: Барсукова М.А.,

учитель информатики

Балашов 2008

Введение

История спутниковых навигационных систем

Низкоорбитные спутниковые навигационные системы (СНС)

Среднеорбитные спутниковые навигационные системы СНС GPS

Спутниковые навигационные системы.

Принципы работы навигационных систем

• Глобальная навигационная система NAVSTAR

  Российская спутниковая навигационная система ГЛОНАСС

  Европейская система ГАЛИЛЕО

Еще о ГЛОНАСС и GPS

Отношение руководства России к системе ГЛОНАСС

Заключение

Библиографический список

Введение

Актуальность

Долгие годы все, что связано с высокоточным определением местоположения подвижных объектов, оставалось уделом "привилегированных" систем; эти способы использовались исключительно в мореплавании, воздушной авиации и при картографировании. Создание систем GPS и ГЛОНАСС коренным образом изменило ситуацию. Сегодня приемники GPS/ГЛОНАСС прочно вошли в нашу жизнь, а определение местоположения стало привычной услугой мобильной связи.

Первоначально гарантируемая точность определения местоположения у обеих систем составляла около 100 м. Однако после того, как в 2000 г. основной провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) отказался от режима селективного доступа, точность определения координат возросла почти на порядок. Заметим, что применение режима дифференциальных поправок увеличивает точность еще в несколько десятков раз. Казалось бы, сегодня все категории потребителей навигационной информации удовлетворены. Однако активно продолжаются работы по европейскому проекту глобальной навигационной спутниковой системы (Global Navigation Satellite System - GNSS), создаваемой по инициативе EC и Европейского космического агентства.

Объект исследования

Спутниковые навигационные системы

Предмет исследования

Принцип работы спутниковых навигационных систем

Структура

Работа состоит из введения, 4 частей, заключения и библиографического списка.

История спутниковых навигационных систем Низкоорбитные спутниковые навигационные системы (снс)

Проблема использования для целей навигации подвижных ориентиров, вынесенных в космическое пространство, приобрела практическое решение после запуска 4 октября 1957 года первого в мире советского искусственного спутника Земли (ИСЗ).

СНС Transit («Транзит») начала разрабатываться уже в 1958 году в США.В 1959 году на орбиту выведен первый навигационный искусственный спутник Земли, а в 1964 году вступила в эксплуатацию система для обеспечения навигации американских атомных ракетных подводных лодок «Поларис». Для коммерческой эксплуатации СНС «Transit» была предоставлена в 1967 году, причем количество гражданских пользователей вскоре существенно превысило число военных. К концу 1975 года на круговых околоземных орбитах (высотой около 1000 км) находилось шесть навигационных космических аппаратов (КА), и на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из них рассчитывались координаты наблюдателя. Масса ИСЗ составляла 56 кг. Спутник излучал сигнал на двух частотах - 150 и 400 МГц, среднеквадратическая погрешность (СКП) определения места объекта на земной поверхности составила 100 м. В 2000 году система была выведена из эксплуатации.

СНС «Цикада» - эта российская система ведет свое летосчисление с 1967 года, когда был выведен на орбиту первый навигационный спутник «Космос-192». Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83 градуса и равномерным распределением плоскостей орбиты вдоль экватора. Система позволяла наблюдателю каждые 1,5-2 часа определять координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 10 мин. С течением времени в результате модернизации системы СКП определения места объекта достигла 80-100 м. «Цикада» также использовала доплеровский сдвиг частоты сигнала передатчика для определения координат места. Позже космические аппараты этой системы были дооснащены аппаратурой для обнаружения терпящих бедствие объектов, оборудованных радиобуями, излучающими специальные сигналы. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Для определения координат кораблей ВМФ СССР использовалась низкоорбитная спутниковая навигационная система «Цикада-М», обладающая характеристиками, близкими к системе «Цикада».

Таким образом, со времен средневековых мореходов способ определения координат объекта на поверхности Земли принципиально не изменился, а лишь значительно облегчился благодаря широкому применению вычислительных устройств и чувствительной приемной аппаратуры. Для решения задачи определения координат по величине доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого ИСЗ, приемная аппаратура рассчитывала скорость КА, находящегося на высоте 1000 км. Кроме того, необходимо было знать положение аппарата на орбите (эту так называемую «эфемеридную информацию» КА «сбрасывал» потребителю) и иметь на КА и в приемной аппаратуре высокостабильный генератор частоты.

Принципиально измерять расстояния можно было бы одновременно до двух ИСЗ или последовательно во времени до одного и того же спутника. На практике измерялась разность расстояний до одного и того же ИСЗ через 20-секундные интервалы времени. Поэтому в состав спутниковой навигационной системы входил наземный комплекс управления (со средствами измерения и передачи на КА данных о его положении на орбите - «эфемеридной информации»).