Спутниковые системы навигации – комплексные электронно-технические системы, состоящие из совокупности наземного (приемники) и космического оборудования (спутники). Они предназначены для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости, направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов. Для краткого обозначения этих систем пользуются или аббревиатурой GNSS (от англ. Global Navigation Satellites System – глобальная навигационная спутниковая система) или NAVSTAR (от англ. NAVigation Satellites providing Time And Range – измерение времени и расстояния от навигационных спутников).

Принципы работы спутниковых систем навигации , если не обращать внимания на их техническую реализацию, достаточно просты. На околоземную орбиту запущены специальные навигационные спутники. Работа приемника GNSS заключается в том, чтобы найти четыре или более из этих спутников, выяснить расстояние до каждого и использовать эту информацию для вычисления собственного месторасположения.

Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GNSS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. GNSS-приемник, зная взаимное расположение спутников, вычисляет свои координаты по законам геометрии, т. е. все работает по принципу простого школьного уравнения, когда, зная взаимное расположение трех точек, ищут положение четвертой, при условии, что известно расстояние от четвертой точки до каждой из трех.

Таким образом, для определения двух координат (широта и долгота) GNSS-приемнику нужно знать расстояние до трех спутников и время GNSS-системы. Для определения координат и высоты приемника, используются сигналы как минимум с четырех спутников.Для того чтобы произвести эти измерения, приемнику и спутнику необходимы часы, которые должны быть синхронизированы до наносекунды. Разработчики GNSS нашли умное и эффективное решение этой проблемы. Каждый спутник содержит дорогие атомные часы, но сам приемник использует обычные кварцевые, которые он постоянно переустанавливает по сигналам со спутников.

После того как приемник произведет расчеты, он сообщит Вам широту, долготу и высоту своего местонахождения. Для того чтобы сделать навигацию более удобной для пользователей, большинство приемников привязывают эти данные к картам, хранящимся в их памяти.

В настоящее время в мире реализовано несколько спутниковых систем навигации, которые работают по одним и тем же изложенным выше принципам.

GPS (от англ. Global Positioning System – глобальная система позиционирования)разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. В 1991 г. на орбиту выведено 24 спутника, которые обеспечили полное покрытие земного шара. Сейчас на орбите 30 спутников. Каждый из них вращается вокруг планеты на высоте примерно 20 000 км, делая два полных оборота каждый день. Орбиты расположены так, что в любое время и в любом месте на Земле есть по крайней мере четыре спутника, «видимых» в небе.

GPS была разработана Министерством обороны США для нужд военных. Ее можно использовать для точного наведения ракет на неподвижные и подвижные объекты в воздухе и на земле.

Система работает одновременно в двух режимах – военном и гражданском. Для военных армии США и их союзников, погрешность определения координат с помощью GNSS составляет несколько сантиметров. Для всех остальных точность составляет около 5 м, в зависимости от условий приема. К сожалению, точность навигации сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом. Невысокое наклонение орбит GPS серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) – советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы являются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном 64,8° на высоте 19 100 км. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы».

Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 г. 24 сентября 1993 г. система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 г. спутниковая группировка была развернута до штатного состава – 24 спутника.

Галилео (Galileo ) – совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства. Система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее 1 м. Ожидается, что «Галилео» войдет в строй в 2014–2016 гг., когда на орбиту будут выведены все 30 запла-нированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами.

Бэйдоу – развертываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS предназначенная для использования только в этой стране. Особенность – небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

IRNSS – индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Первый спутник был запущен в 2008 г.

В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы – GPS, ГЛОНАСС и Галилео. Одним из основных принципов развития этих систем является отсутствие прямой платы за пользование их услугами. Кроме этого, развитию систем способствует направленность на международное сотрудничество в области их совместимости и взаимодополняемости и как следствие – использование одной системы в комбинации с другими спутниковыми или наземными радионавигационными системами для повышения точности и надежности навигационных определений.

Несмотря на то, что изначально проекты GPS и ГЛОНАСС были направлены на военные цели, сегодня они все чаще используются в гражданских целях.

В настоящее время наиболее развернутой и развитой с точки зрения распространенности технических средств является система GPS. В связи этим ее название часто используется как нарицательное при любом разговоре о спутниковых навигационных системах.

Применение спутниковых навигационных систем. Независимо от класса и решаемых задач в основе любой навигационной системы лежит электронная картография. Спутниковые навигаторы не только сообщат координаты Вашего местоположения, но и свяжут его с электронной картой. Картографические GNSS системы можно использовать в любых приложениях требующих точной временной привязки и привязки положений с другой атрибутивной информацией.

Потребителям предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть свое местонахождение на электронной карте: имеющие возможность прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков, разрешенных поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры. GNSS-приемники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК.

Наиболее распространенными являются приемники GNSS для индивидуального использования водителями автомобильного транспорта. Они имеют размер карманного калькулятора с клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем. Приемник GNSS не только укажет Ваше место на карте, но также способен отслеживать по карте Ваши перемещения. Если Вы оставите приемник включенным, он может находиться в постоянной связи со спутниками GNSS, чтобы отслеживать изменение Вашего положения. С помощью этой информации и встроенных часов приемник может дать Вам следующие сведения:

· местонахождение;

· наиболее короткий и удобный путь до пункта назначения;

· как далеко Вы уже уехали;

· как долго Вы путешествуете;

· скорость движения (в настоящий момент, максимальная, минимальная, средняя);

· время в пути (прошедшее и сколько еще потребуется).

Автомобильные GNSS-приемники – это, по сути, электронные лоцманы, дающие указания водителю синтезированным голосом, заранее сообщая обо всех поворотах, стоянках и прочих особенностях данного маршрута. В большом городе иногда сложно сориентироваться даже тем, кто прожил там всю жизнь. Что уж говорить о приезжих. Да и за пределами города несложно потеряться. Так что GNSS-навигатор – очень полезная и иногда даже необходимая вещь. Особенно если речь идет о начинающем водителе или человеке, который первый раз оказался в незнакомом городе.

В последнее время получает широкое распространение весьма удачная интеграция GNSS, радиосвязи и компьютерной техники – диспетчерские навигационные системы, предназначенные для централизованного контроля за передвижением автомобилей. В этих системах каждый автомобиль оснащен GNSS-приемником и радиосвязным оборудованием для контакта с диспетчерским пунктом. На экране монитора диспетчера формируется электронная цифровая карта территории, которая обслуживается транспортными средствами. Закодированная информация о координатах и скорости движения автомобилей, получаемая по радиоканалу, позволяет отобразить их текущее положение на этой карте. Параллельно этой информации по радиолинии могут автоматически передаваться сведения от самых разных датчиков, установленных на автомобиле: например, о несанкционированном вскрытии контейнеров, о наличии топлива, об остановках, ДТП, авариях и т. п.

Такие диспетчерские GNSS-системы могут успешно использоваться в торговых и транспортных компаниях, а также в поисковых и аварийных службах, инкассации банков, в МВД и т. п. Элементы таких систем могут устанавливаться в автомобилях скрытно. В случае попытки угона устройство автоматически сообщит координаты автомобиля, по которым соответствующая служба сможет его найти.

Системы спутникового мониторинга транспорта решают следующие задачи.

1. Контроль за целевым использованием транспорта. Проверяется действительный маршрут, пройденный транспортным средством, точки остановок, скоростной режим, расход топлива, время работы механизмов.

2. Контроль соблюдения графика движения. На карте определяются контрольные зоны. Проверяется время пересечения границ зон.

3. Сбор статистки и оптимизация маршрутов. Проанализировав пройденные маршруты на предмет скоростного режима и расхода топлива, диспетчер может разработать новые, более эффективные.

4. Обеспечение безопасности. Знание местоположения позволяет быстро найти угнанное либо попавшее в беду транспортное средство. Автомобили специального назначения, такси могут оборудоваться скрытой кнопкой, нажатие на которую отсылает тревожный сигнал в диспетчерский центр.

5. Помощь водителю в выборе маршрута на местности. Зная местонахождение транспортного средства, диспетчер может посоветовать водителю маршрут движения в незнакомой местности.

Система спутникового мониторинга транспорта включает следующие компоненты:

· транспортное средство, оборудованное GPS- или ГЛОНАСС-контроллером или трекером, который получает данные от спутников и передает их на серверный центр мониторинга посредством GSM, CDMA, Wi-Fi, Bluetooth или реже космической и УКВ связи;

· серверный центр с программным обеспечением для приема, хранения, обработки и анализа данных;

· компьютер диспетчера, ведущего мониторинг автомобилей.

Большинство GNSS-контроллеров и трекеров имеют схожие функциональные возможности:

· вычисление собственное местоположение, скорость и направление движения на основании сигналов спутников систем глобального позиционирования GPS;

· подключение внешних датчиков через аналоговые или цифровые входы;

· считывание данных с бортового оборудования;

· хранение некоторого объема данных во внутренней памяти на период отсутствия связи;

· передача полученных данных на серверный центр, где происходит их обработка.

Для получения дополнительной информации на транспортное средство устанавливаются дополнительные датчики, подключаемые к GPS- или ГЛОНАСС-контроллеру, например:

· датчик расхода топлива;

· датчик нагрузки на оси транспортного средства;

· датчик уровня топлива в баке;

· датчик температуры в рефрижераторе;

· датчики, фиксирующие факт работы или простоя спецмеханизмов (поворот стрелы крана, работы бетоносмесителя), факт открывания двери или капота, факт наличия пассажира (такси).

Использование систем спутникового мониторинга повышает качество и эффективность работы корпоративного транспорта, и в среднем на 20–25 % снижают расходы на топливо и содержание автопарка. Примерами использования таких диспетчерских систем могут похвастаться уже десятки городов России.

29 января 2009 г. было объявлено, что первым городом страны, где общественный транспорт в массовом порядке оснащен системой спутникового мониторинга на базе ГЛОНАСС, стал Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-оборудование было установлено на 250 сочинских автобусах.

С недавних пор за всеми передвижениями автомобилей скорой помощи в Благовещенске следят диспетчеры в специальном сервисе, который был создан для сокращения времени прибытия к больному. В оперативном отделе станции рабочие места оборудованы электронной картой Благовещенска, и теперь местонахождение бригад скорой помощи, их маршрут, параметры скорости и времени движения диспетчер без труда может отслеживать по монитору.

Пермское отделение Свердловской железной дороги начало подготовку к реализации пилотного проекта по внедрению спутниковой системы контроля ITARUS-АТС. Система призвана осуществлять контроль из центра оперативного управления за скоростью и местонахождением поездов. Кроме того, она проводит непрерывную диагностику подвижного состава, при необходимости автоматически отдает команды на экстренные остановки или временное ограничение скорости. Ожидается, что внедрение системы повысит пропускную способность линий и позволит сократить расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание железнодорожной инфраструктуры. По итогам опытной эксплуатации в Пермском крае планируется распространить данную технологию на сеть российских железных дорог.

Развитие систем GNSS-диспетчеризации осуществляется в рамках постановления Правительства РФ от 03.08.1999 г. № 896 «Об использовании в Российской Федерации глобальных навигационных спутниковых систем на транспорте и в геодезии».

Рассмотрим другие сферы применения спутниковых навигационных систем.

Специалисты, работающие в области природных ресурсов – геологи, географы, лесники и биологи используют GNSS картографические системы для записи положений и дополнительной информации об объектах. Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрировать возраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съемку территорий, подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможность регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций и другую информацию.

GNSS оказывается крайне эффективным в городском хозяйстве при съемке канализационных, газовых и водных трубопроводов, а также электрических и телефонных линий. Такие объекты, как крышки колодцев и пожарные гидранты, картографируются как точки с соответствующей атрибутивной информацией. Кроме того, с помощью GNSS можно выполнять съемку земельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц и заводов.

GNSS картографические системы помогают описывать особенности участков полей, находящихся в интенсивном сельскохозяйственном применении. Вы можете точно связать такие характеристики, как микроклимат, тип почвы, участки поврежденные насекомыми или болезнями, объем собираемой продукции и т. п., с их местоположением. Положение трактора может быть использовано совместно с данными о типе почвы для более экономного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами. Кроме того, GNSS можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озер и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.

Археологи и историки могут использовать картографические GNSS- системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест.

Навигационные возможности систем могут оказать неоценимую помощь в поиске и спасении людей, в работе милиции и пожарных при экстренном поиске определенного местоположения. Еще в 1990-х гг. появились первые сотовые телефоны с GNSS. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего по телефону службы спасения. В России в 2010 г. начата реализация аналогичного проекта – Эра-ГЛОНАСС.

ВВЕДЕНИЕ.. 1

1. РЫНОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОДУКТОВ.. 1

1.1 ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ 1

1.2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОДУКТЫ И УСЛУГИ 3

1.3. РЫНОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОДУКТОВ И УСЛУГ 5

1.4. СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИИ 9

3.2. Как соотносятся информационная технология и информационная система. 10

2. ОПРЕДЕЛЕНЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ... 11

2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 11

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 15

2.2.1. По признаку структурированности задач. 15

2.2.2. По функциональному признаку и уровням управления. 17

2.2.3. Классификация по характеру обрабатываемой информации. 25

2.2.3. Классификация по целевым функциям. 25

3. Классификация по видам процессов управления. 26

4. Классификация по отраслевому и территориальному признаку. 28

2.2.3. Классификация по степени автоматизации. 28

По степени открытости. 29

По режиму работы.. 30

3. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 30

3.1. Состав и назначение структурных элементов АИС. 30

3.2. Технологическое обеспечение АИС.. 33

4. СТАДИИ И ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АИС И АИТ.. 37

4.1. Общие принципы проектирования. 37

4.5. План постановки задачи. 55

5. Автоматизированное рабочее место – средство автоматизации работы конечного пользователя. 58

6. РАБОТА С ЭЛЕКТРОННЫМИ ДОКУМЕНТАМИ.. 61

6.1. Электронизация делопроизводства. 62

6.2. Выбор программного обеспечения для работы с электронными документами 67

6.3. Классификаторы и кодировки в электронных документах. 80

6.4. Автоматизация идентификации объектов. Штрих-кодирование. 83

7. ИНФОРМАЦИОННО-КУММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – ОСНОВА РЫНКА ЭЛЕКТРОННЫХ УСЛУГ. 88

7.1. Электронное правительство. 91

7.2. Финансовые услуги через Интернет. 98

7.3. Общественные информационно-коммуникационные интерактивные системы сервисов. 102

7.4. Спутниковые навигационные системы и их использование. 108

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

Многие слышали такие слова, как GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Большинство знает, что эти понятия означают навигационные спутниковые системы (далее - НСС).

Аббревиатура GPS относится к американской НСС NAVSTAR. Эта система была разработана для военных целей, но была использована и для решения гражданских задач - определение местоположения для воздушных, сухопутных, морских пользователей.

В Советском союзе разработка собственной НСС ГЛОНАСС была скрыта за завесой секретности. После распада СССР работы в этом направлении длительное время не велись, поэтому NAVSTAR стала единственной глобальной системой, которая применялась для определения местоположения в любой точке планеты. Но только США доступно другое предназначение этой системы – наведения массового поражения на цель. И еще один не маловажный фактор – по решению военного ведомства США может быть отключен «гражданский» сигнал с американских навигационных спутников и пассажирские самолеты, корабли потеряют ориентацию. Эта монополия на управление спутниковой системой со стороны США не устраивает многие страны, включая Россию. Поэтому многие страны Россия, Индия, Япония, страны Европы, Китай, стали разрабатывать свои собственные НСС позиционирования. Все системы являются системами двойного назначения – они могут передавать два вида сигналов: для гражданских объектов и повышенной точности для военных потребителей. Основной принцип работы навигационной системы – полная автономность: система не принимает никаких сигналов от пользователей (беззапросная) и имеет высокую степень помехозащищенности и надежности.

Создание и эксплуатация любой НСС - очень сложный и дорогостоящий процесс, который из-за военной направленности должен принадлежать только государству страны-разработчика, поскольку является стратегическим видом вооружения. В случае вооруженного конфликта технология спутниковой навигации может быть использована не только для наведения оружия, но и для десантирования грузов, поддержки передвижения военных подразделений, осуществления диверсионных и разведывательных операций, что даст значительное преимущество стране, обладающей собственной технологией спутникового позиционирования.

Российская система ГЛОНАСС использует принцип определения позиции такой же, как у американской системы. В октябре 1982 года первый спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту Земли, но в эксплуатацию система была введена только в 1993 году. Спутники российской системы беспрерывно излучают сигналы стандартной точности (СТ) - в диапазоне 1, 6 ГГц и высокой точности (ВТ) - в диапазоне 1,2 ГГц. Прием сигнала СТ доступен любому пользователю системы и обеспечивает определение горизонтальных и вертикальных координат, вектора скорости, а также времени. Например, для точного указания координат и времени необходимо принять и обработать информацию не менее, чем от четырех спутников системы ГЛОНАСС. Вся система ГЛОНАСС состоит из двадцати четырех спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте около 19100 км. Период обращения каждого из них составляет 11 часов и 15 минут. Все спутники располагаются в трех орбитальных плоскостях - в каждой по 8 аппаратов. Конфигурация их размещения обеспечивает глобальное покрытие навигационным полем не только поверхность земли, но и околоземное пространство. В систему ГЛОНАСС входят Центр управления и сеть станций измерения и контроля, которые располагаются на всей территории России. Каждый потребитель, принимающий навигационный сигнал со спутников ГЛОГАСС, должен иметь навигационный приемник и аппаратуру обработки, позволяющей вычислить собственные координаты, время и скорость.

В настоящее время система ГЛОНАСС не обеспечивает 100% доступ к своим услугам для пользователей, но предполагает наличие трех спутников на видимом горизонте России, что по заявлению специалистов делает возможным вычислять пользователям свое местоположение. Сейчас на орбите Земли находятся спутники «ГЛОНАСС-М», но после 2015 года планируется их заменить на аппараты нового поколения - «ГЛОНАСС-К». Новый спутник будет иметь улучшенные показатели (увеличен гарантийный срок, появиться третья частота для гражданских потребителей и т.д.), аппарат будет в два раза легче - 850 кг вместо 1415 кг. Также для поддержания работоспособности всей системы потребуется только один групповой запуск «ГЛОНАСС-К» в год, что существенно снизит общие расходы. Для внедрения системы ГЛОНАСС и обеспечения ее финансирования, аппаратура этой навигационной системы устанавливается на всех вводимых в эксплуатацию транспортных средствах: самолетах, судах, наземном транспорте и т.д. Другое основное предназначение системы ГЛОНАСС - обеспечение национальной безопасности страны. Однако, по мнению экспертов, будущее российской навигационной системы не является безоблачным.

Система Galileo создается с целью обеспечения европейских потребителей самостоятельной навигационной системой - независимой, в первую очередь, от США. Финансовый источник этой программы составляет около 10 млрд. евро в год и финансируется на одну треть из бюджета, а на две трети из средств частных компаний. Система Galileo включает 30 спутников и наземные сегменты. Изначально Китай, наравне с другими 28 государствами присоединился к программе GALILEO. Россия вела переговоры по взаимодействию российской системы навигации с европейской GALILEO. Кроме европейских государств к программе GALILEO присоединились Аргентина, Малайзия, Австралия, Япония и Мексика. Планируется, что GALILEO будет передавать десять видов сигналов для предоставления следующих видов услуг: определение местоположения с точностью от 1 до 9 метров, обеспечение информацией служб спасения всех видов транспорта, предоставление услуг государственным службам, скорой помощи, пожарным, полиции, военным специалистам и службам, обеспечивающим жизнедеятельности населения. Еще одна немаловажная деталь - программа GALILEO обеспечит создание около 150 тыс. рабочих мест.

В 2006 году Индия также приняла решение о создании собственной навигационной системы IRNSS. Бюджет программы около 15 млрд. рупий. На геосинхронные орбиты планируется вывести семь спутников. Работы по развертыванию индийской системы ведет государственная компания ISRO. Все аппаратные средства системы будут разрабатываться только индийскими компаниями.

Китай, желающий занять ведущую позицию на геополитической карте мира, разработал собственную спутниковую навигационную систему «Бэйдоу» (Beidou). В сентябре 2012 года два спутника, входящие в эту систему, были успешно запущены с космодрома Сичан. Они пополнили список 15 космических аппаратов, выведенных китайскими специалистами на околоземную орбиту в рамках создания полноценной спутниковой навигационной системы.

Реализация программы началась китайскими разработчиками еще в 2000 году с запуска двух спутников. Уже в 2011 году на орбите находилось 11 спутников, и система вошла в стадию экспериментальной эксплуатации.

Развертывание собственной навигационной спутниковой системы позволит Китаю не зависеть от крупнейших мировых систем американской (GPS) и российской (ГЛОНАСС). Это повысит эффективность китайских отраслей экономики, особенно, таких, которые связаны с телекоммуникациями.

Планируется, что к 2020 году в китайской НСС будет задействовано около 35 спутников, и тогда система «Бэйдоу» сможет контролировать весь земной шар. Китайская НСС предусматривает следующие виды услуг: определение местоположения с точностью до 10 м, скорости до 0,2 м/с и времени до 50 нс. Особенный круг пользователей будет иметь доступ к более точным параметрам измерений. Китай готов на взаимодействие с другими странами по разработке и эксплуатации спутниковой навигации. Китайская система «Бэйдоу» полностью совместима с европейской Galileo, российской ГЛОНАСС и американской GPS.

«Бэйдоу» эффективно применяется при подготовке прогнозов погоды, предупреждении стихийных бедствий, в области транспорта наземного, воздушного и морского, а также геологоразведке.

В планах Китая постоянное усовершенствование своей спутниковой навигационной системы. Увеличение количества спутников позволит расширить зону обслуживания всего азиатско-тихоокеанского региона.

Использованы материалы:
http://www.odnako.org/blogs/show_20803/
http://www.masters.donntu.edu.ua/2004/ggeo/mikhedov/diss/libruary/mark.htm
http://overseer.com.ua/about_glonass.html
http://4pda.ru/2010/03/16/21851/
http://expert.com.ua/57706-galileo-%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B9%D0%B4%D1%91%D1%82%D1%81%D1%8F-%D0%B5%D0%B2%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BE%D1%8E%D0%B7%D1%83-%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE-%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B6%D0%B5.html

«Основы спутниковой навигации Теория и принципы Системы и обзор приложений Название Основы спутниковой навигации Подзаголовок Краткое...»

-- [ Страница 1 ] --

Основы спутниковой навигации

Теория и принципы

Системы и обзор приложений

Название Основы спутниковой навигации

Подзаголовок

Краткое руководство

документа

Id документа GPS-X-02007-C

Модификация Дата Имя Статус / Комментарии

SBAS (WAAS, EGNOS)

Обновление GPS

Высокочувствительный GPS

AGPS ошибки и DOP

UTM-проекция

DGPS-сервисы

Интерфейсы данных

GPS приемники

Введение в спутниковую навигацию

Спутниковая навигация это просто

Сегмент космоса

Сегмент пользователя

GPS сообщение

Вычисление позиции (уравнения)

DGPS сервисы для коррекции в реальном времени

Широкая область DGPS

Интерфейсы оборудо

–  –  –

Мы резервируем все права на данный документ и информацию, содержащуюся в нем. Воспроизведение, использование и передача третьим лицам без разрешения запрещены!

За дальнейшими документами обратитесь, пожалуйста, на сайт www.u-blox.com Рабочие характеристики, приведенные в данном документе, примерные и не дают гарантию работы изделия. u-blox не поддерживает приложения, связанные с оружием. Продукция u-blox’ разработана для мирного использования и коммерческой авиации, а также для аналогичных приложений. В устройствах или системах, в которых сбой данной продукции может привести к повреждениям, использование идет на свой страх и риск. u-blox резервирует право изменять данное изделие, включая схему и обеспечение, для улучшения его работоспособности без предварительного уведомления.

u-blox не дает никаких гарантий на характеристики, приведенные в данном документе. u-blox не принимает претензии по вопросам убытков, полученных из-за применения данного изделия согласно документу.

u-blox схемы, обеспечение и проекты защищены законом об интеллектуальном праве в Швейцарии. u-blox, логотип u-blox, тип TIM- GPS модуля, Antaris, SuperSense, "your position is our focus", NavLox, u-center, AssistNow, AlmanacPlus, FixNow и EKF являются зарегистрированными торговыми марками u-blox AG. Этот продукт может целиком или частично подвергнуться интеллектуальной защите. Пожалуйста, обратитесь в u-blox за дополнительной информацией. Copyright © 2007, u-blox AG.

Основы спутниковой навигации GPS-X-02007-C Контакты За дальнейшей информацией обратитесь к следующим источникам.

Центральный офис 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 Офисы продаж North, Central and South America Europe, Middle East, Africa Asia, Australia, Pacific

–  –  –

Основы спутниковой навигации Контакты GPS-X-02007-C Предисловие Где Я на Земле?

Ответ на этот казалось бы простой вопрос иногда может означать жизнь или смерть. Посмотрите на авиатора, пытающегося найти место для безопасной посадки, на капитана на аварийном судне, которому нужна помощь, на путешественника в горах, потерявшегося из-за плохой погоды. Ваше местонахождение на Земле жизненно важно и может иметь различные варианты приложений.

Несмотря на редкость вышеприведенных драматических обстоятельств, существуют ситуации, имеющие большое значение в нашей повседневной жизни. Как найти необходимый адрес? Потенциальные приложения и использование информации о местонахождении безграничны. Наша позиция на голубой планете всегда будет очень важна и сегодня это то, что мы можем получить с потрясающим удобством.

Среди ошеломляющих технологических разработок в течение последних лет огромное значение имеют разработки в области спутниковой навигации или Глобальных спутниковых навигационных систем (GNSS). В течение нескольких лет спутниковая навигация преодолела путь от научной фантастики до научного факта с быстро развивающейся технологией по всему миру, посвященной надежному и легкодоступному способу определения позиции.

Глобальные лидеры быстро меняют промышленность, u-blox AG добавляет шведский акцент в точность и качество. Мужчины и женщины компании являются энтузиастами своего дела и их девиз “your position is our focus”. Частью своего обязательства перед Вами u-blox AG считает предоставление данного руководства для того, что помочь в изучении увлекательного мира спутниковой навигации.

Цель этой книги обеспечить обзор систем, в которых работает спутниковая навигация, и приложений с ее использованием. Будут рассмотрены все последние достижения в данной области. Данный документ предназначен для пользователей, заинтересованных этой технологией, а также для специалистов в области разработки приложений. Документ построен таким образом, что есть постепенный переход от простых понятий к сложным концепциям. Основная теория спутниковой навигации будет дополнена дополнительными важными деталями. Данное руководство служит помощником для понимания технологии приемников спутниковой навигации, модулей и ICs. Важнейшие новые разработки будут приведены в различных разделах. Понимание различных координатных систем, используемых в оборудовании GNSS, является трудной задачей. Поэтому отдельная глава посвящена картографии.

Мы надеемся, что данный документ поможет Вам и Вас увлечет эта технология. Все, что с ней связано, отвечает на вопрос “где Я на Земле?”.

–  –  –

В 1990 году я ехал на поезде в Швейцарский кантон. Со мной было несколько журналов. В одном из них я наткнулся на специальную статью о спутниках, которая описывала новую систему позиционирования и навигации. Используя несколько US спутников, эта система, известная под названием Системы Глобального Позиционирования или GPS, могла определить координаты где угодно с точностью до 100 м(*).

Как спортсмен и любитель гор, я часто оказывался в ситуациях, когда необходимо было знать свое местоположение, что становится возможным при использовании GPS приемника. После чтения статьи я был сражен точностью GPS.

Тогда я начал подробное изучение системы глобального позиционирования. Я заразил своим энтузиазмом студентов из моего университета использованием GPS и в результате получил перечень различных курсовых работ, дающих информацию о предмете. Чувствуя себя настоящим GPS экспертом, я разослал статьи в различные журналы и газеты. Из-за моего энтузиазма интерес к системе вырос.

В основном, GPS приемник определяет только 4 переменные: долготу, широту, высоту и время.

Дополнительная информация (напр. скорость, направление и т.д.) может быть получена из этих четырех компонентов. Оценка пути развития, при котором функции GPS системы являются необходимыми, предлагает развивать новые привлекательные приложения. Если хорошо известна техническая сторона GPS системы, то возможно развитие и использование нового оборудования для навигации и позиционирования. Эта книга также описывает ограничения системы, так что очень многого от нее ждать все-таки не стоит.

Перед тем как вы начнете, я должен предупредить вас о наличии неизвестных GPS ошибок, поэтому вы рискуете!

Как была написана эта книга?

В 2000 году я решил сократить время своих лекций в университете и обратить свое внимание на другую область. Моей целью было работать профессионально с GPS и u-blox. Компания поручила мне разработать брошюру, которую они будут давать своим клиентам. Данный конспект является результатом более ранних статей и новых глав.

Искреннее пожелание Я желаю каждому из вас успеха в работе с GPS и верю, что вы сможете легко управлять навигацией посредством этих интересных технических возможностей. Приятного чтения!

–  –  –

Предисловие……………………………………………………………………………………….……4 Предисловие автора

1.1 Принцип измерения времени передачи сигнала

1.1.1 Основные принципы спутниковой навигации

1.1.2 Время прохождения сигнала

1.1.3 Определение позиции

1.1.4 Возникновение и коррекция ошибки по времени

2 GNSS технология: GPS пример

2.1 Описание всей системы

2.2 Сегмент космоса……………………………………………………………………………………………………………………………………..19 2.2.1 Распределение и перемещение спутника

2.2.2 GPS спутники………………………………………………………………………………………………………………………………….…22 2.2.3 Генерация сигнала со спутника

2.3 Управляющий сегмент……………………………………………………………………………………………………………………….…..27

2.4 Сегмент пользователя

2.5 GPS сообщения……………………………………………………………………………………………………………………………………..…31 2.5.1 Введение…………………………………………………………………………………………………………………………………………..31 2.5.2 Структура навигационного сообщения

2.5.3 Информация в подфреймах

2.5.4 TLM и HOW

2.5.5 Деление на 25 страниц

2.5.6 Сравнение данных эфимериса и альманаха

2.6 Обновление GPS……………………………………………………………………………………………………………………………………..34 2.6.1 Новая процедура модуляции, BOC

2.6.2 Модернизация GPS…………………………………………………………………………………………………………………………..36

3 GLONASS и GALILEO

3.2 Российская система: GLONASS

3.2.1 Состав GLONASS

3.3.1 Обзор

3.3.2 Основные сервисы GALILEO

3.3.3 Точность

3.3.4 GALILEO технология

3.3.5 Наиболее важные свойства трех GNSS систем

4 Вычисление позиции

4.1 Введение

4.2 Вычисление позиции………………………………………………………………………………………………………………………….…48 4.2.1 Принцип измерения времени прохождения сигнала (оценка псевдодиапазона)................. 48 4.2.2 Линеаризация уравнения

4.2.3 Решение уравнения

4.2.5 Анализ ошибок и DOP

5 Координатные системы

5.1 Введение

5.2 Геоиды

5.3 Эллипсоид и данные…………………………………………………………………………………………………………………………...58 5.3.1 Эллипсоид

5.3.2 Модифицированные локальные эллипсоиды и данные

5.3.3 Национальные отсчетные системы

5.3.4 Единый отсчетный эллипсоид WGS- 84

5.3.5 Трансформация от локального к единому отсчетному эллипсоиду

5.3.6 Конвертирование координатных систем

5.4 Координаты регионов на плоскости, проекция

5.4.1 Gauss-Krger проекция (Transversal Mercator Projection)

5.4.2 UTM проекция………………………………………………………………………………………………………………………..……….64 5.4.3 Шведская система проекций (Conformal Double Projection)

5.4.4 Единое преобразование координат

6 Усовершенствование GPS: DGPS, SBAS, A-GPS и HSGPS

6.1 Введение

6.2 Источники ошибки GPS…………………………………………………………………………………………………………………………68

6.3 Способы уменьшения ошибки измерения

6.3.1 DGPS, основанный на измерении времени задержки прохождения сигнала

6.3.2 DGPS, основанный на измерении несущей фазы

Основы спутниковой навигации Содержание GPS-X-02007-C 6.3.3 DGPS пост-обработка (время прохождения сигнала и измерение фазы)

6.3.4 Передача данных коррекции

6.3.5 DGPS классификация в соответствии с переданным диапазоном

6.3.6 Стандарты для передачи сигналов коррекции

6.3.7 Обзор различных сервисов коррекции

6.4 DGPS сервисы для коррекции в реальном режиме времени

6.4.1 GBAS сервисы………………………………………………………………………………………………………………………………...77 6.4.2 Европейские GBAS сервисы

6.5 Широкая область DGPS (WADGPS)

6.5.1 Спутник на основе расширенных систем, SBAS (WAAS, EGNOS)

6.5.2 Спутниковые сервисы DGPS с использованием RTCM SC- 104

6.6 Предельная точность с DGPS и SBAS

6.7 Вспомогательный-GPS (A- GPS)

6.7.1 Принцип A- GPS

6.7.2 A-GPS с онлайн дополнительными данными (Real-time A- GPS)

6.7.3 A-GPS с оффлайн дополнительными данными (допустимые орбиты)

6.7.4 Отсчетная сеть

6.8 Высокочувствительный GPS (HSGPS)

6.8.1 Усовершенствованная стабильность генератора…

6.8.2 Антенны

6.8.3 Уровни шума

6.8.4 Корреляторы и время корреляции

6.9 GNSS-усилитель или реизлучающая антенна……

6.10 Псевдоспутники для внутренних приложений

7 Форматы данных и интерфейсы оборудования

7.1 Введение

7.2 Интерфейсы данных

7.2.1 Интерфейс NMEA-0183

7.2.2 DGPS данные коррекции (RTCM SC- 104)

7.2.3 Закрытые интерфейсы данных

7.3 Интерфейсы оборудования……………………………………………………………………………………………………………….105 7.3.1 Антенны

7.3.3 Тактовый импульс: 1PPS и системы времени

7.3.4 Конвертирование TTL уровня в RS- 232

8 GNSS приемники

Основы спутниковой навигации Содержание GPS-X-02007-C

8.2 GNSS приемные модули

8.2.1 Базовый проект GNSS модуля

8.2.2 Пример: u-blox 5

9 GNSS приложения

9.1 Введение

9.2 Описание различных приложений

9.2.2 Бизнес и промышленность

9.2.3 Технология связи

9.2.4 Сельское хозяйство и лесничество

9.2.5 Наука и исследования

9.2.6 Туризм / Спорт

9.2.7 Военное ведомство

9.2.8 Измерение времени

А Ресурсы всемирной паутины

A.2 Дифференциальный GPS………………………………………………………………………………………………………………….125 A.3 GPS институты

A.4 GNSS антенны…………………………………………………………………………………………………………………………………….126 A.5 GNSS группы и GNSS технический журнал

B Указатель

B.1 Список рисунков

B.2 Список таблиц

B.3 Источники

–  –  –

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.

–  –  –

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 Среди них авиация, взлеты и посадки с помощью спутниковой навигации становятся возможными.

–  –  –

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.

–  –  –

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.

–  –  –

Все спутниковые навигационные системы используют общие принципы определения координат:

Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал.

Основан на измерении времени распространения радиоволн (электромагнитные сигналы распространяются со скоростью света c = 300’000 км/с), позиция приемника вычисляется.

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).

–  –  –

Рис.4 В простейшем случае Расстояние определяется временем распространения Расстояние D вычисляется путем умножения времени распространения на скорость света c.

D = 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.

–  –  –

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.

Пример:

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

–  –  –

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

–  –  –

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).

–  –  –

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:

–  –  –

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

–  –  –

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

–  –  –

Система глобального позиционирования (GPS) включает в себя 3 сегмента(Рис.11):

Пространственный сегмент (все рабочие спутники)

Управляющий сегмент (все наземные станции системы: основная управляющая и дополнительные для контроля)

Сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи)

–  –  –

Рис. 11 Три GNSS сегмента 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).

–  –  –

Спутниковые сигналы могут быть приняты в пределах эффективного диапазона спутника. Рис. 13 показывает эффективный диапазон (затененная область) спутника, расположенного прямо над нулевым меридианом.

–  –  –

Распределение спутников в любой момент времени может быть видно на Рис. 14. Оно является следствием удачного распределения орбит на большой высоте для обеспечения связи с, по крайней мере, 4 спутниками в любое время в мире.

–  –  –

2.2.2.1 Конструкция спутника Все спутниковые сигналы времени и данные синхронизируются атомными часами на борту на одной частоте (1575.42 МГц). Минимальная длина сигнала, полученного на Земле, примерно от -158dBW до OdBW [ В соответствии со спецификацией, максимальная длина примерно -153dBW].

Рис. 15 GPS спутник 2.2.2.2 Анализ связи Анализ связи (Таблица 1) между спутником и пользователем нужен для установки необходимого уровня мощности передачи. В соответствии со спецификацией, минимальная мощность не должна быть ниже -16OdBW (-13OdBm). Для гарантии поддержки этого уровня мощность передачи спутника L1, модулированная кодом C/A, должна быть 21.9 Вт.

–  –  –

Следующая информация (навигационное сообщение) передается спутником со скоростью 50 бит в секунду.

Спутниковые сигналы синхронизации и времени

Точные данные(эфимерис)

Коррекционная информация для определения точного времени

Приближенные данные спутников (альманах)

Данные на ионосфере

Информация о состоянии спутника Время, которое требуется для передачи данной информации, составляет 12.5 минут. Используя сообщение навигации, приемник способен определить время передачи каждого сигнала и точную позицию спутника на момент передачи.

Каждый из 28 спутников передает уникальную сигнатуру. Эта сигнатура состоит из произвольной последовательности (Псевдо Произвольный Шум Кода, PRN) 1023 нулей и единиц (Рис. 17).

Рис.17 Псевдослучайный шум

Последняя миллисекунда - это уникальный идентификатор, непрерывно повторяющийся и преследующий две цели в отношении приемника:

Идентификация: уникальная сигнатура означает, что приемник знает, от какого спутника получен сигнал.

Измерение транзитного времени сигнала 2.2.3 Генерация сигнала спутника 2.2.3.1 Блочная диаграмма На борту спутников находятся четыре штуки очень точных атомных часов. Следующие тактовые импульсы и частоты, необходимые для повседневной работы, являются производными от резонансной частоты атомных часов (рис.18 и 19):

Частота данных 50 Гц

Импульс кода C/A, который модулирует данные, используя эксклюзивный процесс3 (в диапазоне выше частоты 1 МГц)

Частота гражданского носителя L1 (1575.42 МГц) Данные, промодулированные кодом C/A, модулируются в свою очередь несущей L1, используя BiPhase-Shift-Keying (BPSK)4. С каждым изменением в модулированных данных есть поворот на 1800 в несущей фазе L1.

Логическая операция с двумя операндами, в результате которой получается логическое значение true тогда и только тогда, когда один из операндов имеет значение true.

Метод модулирования несущей волны, при котором транслируемые данные повернуты по фазе на 90°.

–  –  –

Сигналы спутниковой навигации генерируются с использованием процесса, известного как DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) модуляция . Это процедура, при которой номинальная полоса частот(не путать с полосой частот чипа приемника) умышленно шире, совмещаясь с более высокой частотой сигнала. Этот принцип модуляции был открыт в 1940 году в США, актрисой Hedy Lamarr и пианистом George Anthell . Данный процесс позволяет работать закрытому радиоканалу в трудных средах.

Атомные часы на борту спутника имеют устойчивость более 2*10-13. Основная частота 10.23 МГц происходит от резонансной частоты одного их атомных часов. В свою очередь, несущая частота, частота данных, время генерации псевдослучайного шума (PRN) и кода С/А происходят от основной частоты (Рис.20). То есть все 28 спутников передают на частоте 1575.42 МГц, при этом используется процесс, известный под названием CDMA Multiplex5 (Code Division Multiple Access). Данные передаются на основе DSSS модуляции. Генератор С/А кода имеет частоту 1023 МГц и период 1,0237, который соответствует мс. Используемый С/А код (PRN код), который похож на золотой код8 и имеет хорошие корреляционные свойства, генерируется сдвиговым регистром обратной связи6.

Процесс модуляции, описанный выше, называется DSSS модуляцией, при этом код C/A играет важную роль в этом процессе. Так как все спутники передают на одной частоте (1 575.42 МГц), код C/A содержит идентификацию и информацию, сгенерированные каждым спутником. Код C/A является произвольной последовательностью 1023 битов, называемой псевдослучайным шумом (PRN). Эта сигнатура, которая продолжается миллисекунду и уникальна для каждого спутника, постоянно повторяется. Следовательно, спутник всегда идентифицирован соответствующим кодом C/A.

–  –  –

Рис.20 Подробная блочная система GPS спутника Форма мультиплексирования, которая делит радиоканалы, используя псевдослучайную последовательность для каждого пользователя. CDMA это форма "spreadspectrum" сигнала, при которой модулированный кодовый сигнал имеет большую ширину по частоте, чем передаваемые данные.

Сдвиговый регистр, в котором входной бит является линейной функцией предыдущего состояния.

Время передачи для отдельных битов в последовательности с псевдодиапазоном.

Золотой код является установкой бинарных последовательностейT. Взять две последовательности одной длины n, такие, что имеют только три общих значения. Набор n операций exclusive-ors двух последовательностей в различных фазах (то есть относительно всех позиций), вместе с самими последовательностями и есть Золотой код. Операция exclusive or двух Золотых кодов даст другой Золотой код в некоторой фазе.

–  –  –

Управляющий сегмент (OCS), состоит из основной управляющей станции, расположенной в штате Колорадо, пяти контрольных станций, оснащенных атомными часами, расположенных вокруг земного шара около экватора, и трех управляющих наземных станций, которые передают информацию спутникам.

Наиболее важные задачи управляющего сегмента:

Наблюдение за перемещением спутников и обработка орбитальных данных (эфимерис)

Контроль часов спутника и их работы

Синхронизация времени спутника

Ретрансляция точных орбитальных данных, полученных от спутников на связи

Ретрансляция приблизительных орбитальных данных, полученных от всех спутников (альманах)

Ретрансляция дальнейшей информации, включая состояние спутника, ошибки времени и т.д.

Управляющий сегмент также наблюдает за искусственным искажением сигналов (SA), для того, чтобы ограничить позиционную точность системы при использовании гражданскими. Точность системы преднамеренно ограничена до мая 2000 по политическим и тактическим соображениям департаментом США (DoD) для спутниковых операторов. Ограничение можно отключить в течение мая 2000, но можно и запустить снова, если необходимо.

2.4 Сегмент пользователя

Сигналам, переданным спутниками, требуется приблизительно 67 мс для достижения пользователя.

Хотя сигналы движутся со скоростью света, их транзитное время зависит от расстояния между спутниками и потребителем.

Четыре различных сигнала сгенерированы на приемнике и имеют ту же структуру, что и полученные с 4 спутников. При синхронизации этих сигналов образуется смещение по времени t (Рис. 21).

Измеренные смещения времени t на всех 4 спутниковых сигналах используются для определения транзитного времени сигнала.

–  –  –

Сигнал приемника (синхронизированный Смещение времени приемника Рис.21 Измерение транзитного времени сигнала Для определения позиции пользователя требуется радиосвязь с четырьмя другими спутниками.

Расстояние до спутников определяет транзитное время сигналов. Приемник затем вычисляет позицию пользователя: широту, долготу, высоту h и время t из диапазона и известной позиции четырех спутников. Выражаясь математическими терминами, это означает, что четыре неизвестных переменных, h и t определены с помощью расстояния и позиции этих четырех спутников, хотя требуется довольно сложный уровень итерации, который будет иметь важное значение далее.

Основы спутниковой навигации GNSS технология: Пример GPS GPS-X-02007-C стр.27 Как сказано ранее, все спутники передают на одной частоте, но с различным кодом C/A. Этот процесс называется Code Division Multiple Access (CDMA). Восстановление сигнала и идентификация спутников происходит посредством корреляции. Так как приемник может узнать все C/A коды, которые используются, то систематический сдвиг и сравнение каждого кода со всеми поступающими сигналами со спутника приведет к полному совпадению типов (то есть показатель корреляции CF - 1), и точка корреляции будет достигнута. (Рис. 22). Точка корреляции используется для измерения фактического транзитного времени сигнала и для идентификации спутника.

Входящий сигнал от PRN -18 бит 11 - 40 Входящий сигнал от PRN -18 бит 1 - 30, начальные

–  –  –

Входящий сигнал от PRN -18 бит 21 - 50, последние Перекрестный сигнал от PRN -5 бит 11 - 40, в фазе Рис.22 Демонстрация процесса корреляции на протяжении 30 битов Степень корреляции выражается здесь как CF (показатель корреляции). Диапазон величины CF лежит от минус единицы до плюс единицы и является положительным только при совпадении типов сигналов (битовая частота и фаза).

mB: число всех совпавших битов uB: число всех несовпавших битов N: общее число битов В результате Эффекта Допплера (все спутники и приемники движутся относительно друг друга) возможно смещение переданных сигналов на ±6000 Гц относительно точки приема. Определение транзитного времени сигнала и восстановление данных требует не только корреляции со всеми возможными кодами и фазами смещения, но также и идентификацию правильной фазы несущей частоты. Посредством систематического смещения и сравнения со всеми кодами (Рис. 22) и несущей частоты с входящими сигналами спутника находим нужную точку(в которой фактор корреляции равен 1) (Рис. 23). Искомая позиция в несущей частоте известна как бинарная.

–  –  –

Рис. 23: Исследование максимальной корреляции кода и интервала несущей частоты Спектральная плотность мощности полученного GPS сигнала лежит примерно на 16 Дб ниже термального шума (см. Рис. 16).

Демодуляция и концентрация полученного GPS сигнала дает системное усиление GG:

После концентрации, плотность мощности используемого сигнала становится больше термального шума (Рис. 24).

–  –  –

Удвоение Dwell Time увеличивает разницу между сигналом и термическим шумом (чувствительность приемника) на 3 Дб. На практике не проблема увеличить время корреляции до 20 мс. Если значение переданных данных известно, тогда это время можно увеличить даже на еще большее значение.

–  –  –

2.5.1 Введение Сообщение представляет собой непрерывный поток данных, переданный со скоростью 50 бит в секунду. Каждый спутник передает следующую информацию на Землю:

Системное время и скорректированные значения часов

Собственные высокоточные орбитальные данные (эфимерис)

Приближенные орбитальные данные для всех спутников (альманах)

Состояние системы и т.д.

Навигационное сообщение необходимо для вычисления текущей позиции спутников и для определения транзитного времени сигнала.

Поток данных модулируется несущей волной HF каждого отдельного спутника. Данные переданы на логически сгруппированные блоки, называемые фреймами или страницами. Каждый фрейм 1 500 бит длиной, и его передача занимает 30 секунд. Фреймы разделены на 5 подфреймов. Каждый подфрейм 300 бит длиной, и его передача занимает 6 секунд. Для передачи всего альманаха требуется 25 различных фреймов (или страниц). Время передачи для альманаха - 12.5 минут. Приемник GPS должен получить весь альманах для работы (напр. для своей первичной инициализации).

2.5.2 Структура навигационного сообщения

Фрейм длиной 1 500 бит занимает 30 секунд для передачи. 1 500 бит разделены на пять подфреймов длиной 300 бит (время передачи 6 секунд). Каждый подфрейм, в свою очередь, разделен на 10 слов, каждое из которых длиной 30 бит. Каждый подфрейм начинается со слова телеметрии и слова handover (HOW). Полное сообщение навигации состоит из 25 фреймов (страниц). Структура навигационного сообщения проиллюстрирована на Рис. 25.

–  –  –

2.5.4 TLM и HOW Первое слово каждого фрейма, слово телеметрии (TLM), содержит последовательность из 8 бит преамбулы (10001011), которая используется для синхронизации, следующие 16 бит зарезервированы для зарегистрированных пользователей. Как и во всех словах, конечные 6 бит слова телеметрии - биты четности.

Слово Handover (HOW), следует сразу за словом телеметрии в каждом подфрейме. Слово Handover имеет 17 бит (диапазон значений от 0 до 131071 может быть представлен 17 битами) и содержит в пределах своей структуры стартовое время для следующего подфрейма, которое передается как время недели (TOW). Счетчик TOW начинается со значения 0 в начале недели GPS (период перехода с субботы 23:59:59 на воскресенье 00:00:00 часов) и увеличивается на 1 каждые 6 секунд. Так как в неделе 604,800 секунд, счетчик работает от 0 до 100,799, затем обнуляется. Маркер вклинивается в поток данных каждые 6 секунд и передает HOW для синхронизации с кодом P. Биты 20.. 22 используются в слове Handover для идентификации только что переданного подфрейма.

2.5.5 Разбиение на 25 страниц Полное сообщение навигации требует 25 страниц и занимает 12.5 минут. Страница или фрейм разделены на пять подфреймов. В случае подфреймов 1.. 3, информационное содержимое одинаково для всех 25 страниц. Это означает, что приемник имеет все значения часов и данные эфимериса от передающего спутника каждые 30 секунд.

Единственное различие в случае подфреймов 4 и 5 – в организации переданной информации.

В случае подфрейма 4, страницы 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 и 10 ретранслируют данные альманаха со спутников с номерами от 25 до 32. В этом случае, данные альманаха одного спутника передаются на одну страницу.

Страница 18 передает значения коррекции из-за ионосферической сцинцилляции, а также разницу между UTC и GPS временем. Страница 25 содержит информацию о конфигурации всех 32 спутников (то есть блочное присоединение) и о состоянии спутников с номерами 25 … 32.

В случае подфрейма 5, страницы 1…24 ретранслируют данные альманаха со спутников с номерами от 1 до

24. В этом случае, данные альманаха для одного спутника передаются на одну страницу. Страница 25 передает информацию о состоянии спутников с номерами 1…24 и действительное время альманаха.

2.5.6 Сравнение данных альманаха и эфимериса

Используя данные эфимериса и альманаха, спутники движутся по орбитам и, следовательно, координаты определенного спутника можно найти в любой момент времени. Различие между переданными величинами состоит главным образом в точности чисел. В следующей таблице (Таблица 2), сравниваются два варианта чисел.

–  –  –

Таблица 2 Сравнение данных альманаха и эфимериса Для объяснения терминов, использованных в Таблице 2 см. Рис. 26.

Рис.26 Термины эфимериса Основная полуось орбитального эллипса: a Основная полуось орбитального эллипса: b Эксцентриситет орбитального эллипса: e

–  –  –

Для того чтобы все спутники передавали одну частоту, GPS сигналы модулируются специальным кодом. Этот код состоит из Pseudo Random Noise Code (PRN) 1023 нулей или единиц и известен как C/A-код. Код с периодом в 1 мс имеет скорость передачи 1.023 Мбит/с. Код повторяется непрерывно и из-за своей уникальной структуры позволяет приемнику идентифицировать от каждого спутника его сигнал.

Модуляция сигнала данных достигается с помощью операции exclusive-or (EXOR) (Рис.27). Результат носит название Binary Phase Shift Keying (BPSK(1)). Сигнал номинальной или базовой частоты генерируется одними из атомных часов, и все спутниковые сигналы являются производными от него. Номинальная или базовая частота затем модулируется кодом C/A Code со скоростью 1 1.023 Мбит/с.

–  –  –

Рис. 27: С BPSK сигнал навигационных данных является первой модуляцией кодом В будущем системы GPS и Европейская GALILEO будут использовать процесс новой модуляции под названием Binary Offset Code Modulation (BOC). С BOC BPSK сигнал подвергается дальнейшей модуляции . Частота модуляции всегда кратна базовой частоте 1.023 МГц. Свойства этой модуляции передаются специфическим способом. Например, BOC(10,5) означает, что частота модуляции равна 10 базовым частотам (10 1.023 МГц) и скорость C/A кода в пять раз больше базовой (5 1,023 МБит/с) (Рис 28).

–  –  –

Рис. 28: Модуляция в будущем: BOC(10,5) Благодаря BOC сигнал будет лучше распространяться над полосой пропускания и влияние отраженного сигнала на приемник навигационного сигнала будет меньше по сравнению с BPSK. При одновременном использовании BPSK(1) и BOC(1,1) их влияние друг на друга практически отсутствует, так как максимумы плотностей мощности разделены (Рис. 29).

Спеткральна я пл остность м ощности (ДБ м /Гц)

–  –  –

Рис. 29: С BPSK(1) и BOC(1,1) максимумы сигнала разделены (интенсивность сигнала составляет 1 W) Основы спутниковой навигации GNSS технология: Пример GPS GPS-X-02007-C стр.35 2.6.2 GPS модернизация

С момента активации GPS системы в 1978 все спутники передает следующие три сигнала на Землю:

На L1-частоте (1575.42 МГц): один гражданский сигнал (SPS-сервис с C/Aсигналом, BPSK(1)) и один военный сигнал (PPS-сервис с P(Y)-сигналом, BPSK(10))

На L2-частоте (1227.60 МГц): второй военный сигнал.

U.S.DoD планируют улучшить структуру GPS сигнала(Рис. 30). Для гражданских приложений введение второй и третьей частот очень важно; тогда больше частот можно использовать для установления позиции, при этом влияние ионосферы на транзитное время сигнала может быть уменьшено или даже сведено к нулю. Эта компенсация возможна, поскольку скорость передачи в ионосфере c зависит от частоты. В добавление к двум новым сигналам модернизация GPS обеспечит увеличение интенсивности сигнала для гражданских пользователей, предоставив возможности, как для военных приложений.

25 сентября 2005 года первый из восьми новых спутников типа IIRM (Блок 2, Replenishment and Military) был доставлен на орбиту. 16 декабря 2005 года спутник был готов к передаче. Запуск остальных семи спутников начнется еще до 2006. Эти новые спутники дополнительно передают следующее:

Новый гражданский сигнал 1227.60 МГц, так называемая L2C частота.

Вспомогательные военные сигналы 1575.42 МГц и 1227.60 МГц: M сигналы, использующие BOC(10,5) модуляцию.

Новое поколение спутников запланировано к концу этой декады. Новая серия будет иметь обозначение IIF (Блок 2, Follow-ON) и III (Блок 3).

Ниже приведены наиболее важные характеристики этих спутников:

Новый гражданский сигнал 1176.45 МГц (L5 частота). Этот сигнал более устойчив, и его можно использовать в авиации при критических посадках.

Увеличение интенсивности сигналов M (= M+) посредством использования концентрирующих лучевых антенн.

Улучшение структуры C/A сигнала для гражданской частоты L1. (определенной как L1C).

–  –  –

Рис. 30: С модернизацией увеличено количество доступных GPS частот Наземные станции GPS также будут обновлены. Данная разработка должна быть полностью закончена и введена в действие к середине следующей декады. Новые сигналы станут доступны пользователям.

–  –  –

28 декабря 2005 года первый спутник GALILEO был выведен на орбиту. Спутник, называемый GIOVE-A начал новую эпоху. Первое время в Европе также активно внедрялась спутниковая навигация. GPS должен иметь конкуренцию: вероятно, в течение последующих пяти или шести лет будет доступно три независимых GNSS системы. USA продолжит поддерживать GPS, Россия и Европейский союз будут использовать свои системы GLONASS и GALILEO. С тремя функционирующими GNSS системами у нас будет возможность более точного позиционирования, и также появятся различия.

GPS также будет модернизироваться в обозримом будущем и станет более доступным(см. 2.6).

Данная глава рассматривает еще не полностью работающую систему GLONASS и будущую систему Европы GALILEO.

Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.37

3.2 Российская система: GLONASS GLONASS - это аббревиатура GNSS системы, в настоящее время используемой Российским военным министерством. Название GLONASS означает Global Navigation Satellite System. Программа впервые стартовала в Советском Союзе, а сейчас при Содружестве Независимых Государств (СНГ). Первые три тестовых спутника были запущены на орбиту 12 октября 1982 года. Наиболее важные характеристики этой системы:

24 запланированных спутника (21 стандартны + 3 резервных). Такого числа никогда не было. Относительно короткое время жизни отдельных спутников от 3 до 4 лет воспрепятствовало завершению системы.

3 орбитальных уровня с углом 64.8° от экватора (это самый высокий угол из всех GNSS систем, он позволяет иметь хороший прием в полярных областях.

Орбитальная высота 19,100 км

Орбитальный период 11 ч 15.8 мин

Каждый GLONASS спутник передает два кода (C/A и P-код) на двух частотах. Каждый спутник передает одинаковые коды (PRN), но на различных частотах в пределах 1602 МГц и 1246 МГц. Эти связанные частоты должны быть изменены впоследствии.

3.2.1 Состав GLONASS

В составе системы GLONASS необходимы 24 рабочих спутника. Вследствие политической нестабильности в Советском Союзе и других задержек и проблем 18 августа 2006 года только 14 рабочих спутника присутствуют на орбите . СНГ планирует доработать систему в концу 2008 года. Три спутника на замену были успешно запущены 25 декабря 2005 года. Два из трех спутников относятся к M серии, которая имеет время жизни 7-8 лет. Эти новые спутники передают два гражданских сигнала. После 2007 года будет запущен первый спутник K серии. Время его жизни продлено до 10-12 лет, и он передает три гражданских сигнала.

Рис. 31: GLONASS-M спутник (Источник ESA) Рис. 32: Запуск носителя Протон

Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.38

3.3 GALILEO 3.3.1 Обзор GALILEO является Европейской GNSS системой. Европейский союз (EU) совместно с European Space Agency (ESA) разработали данную систему. EU и ESA вместе образуют зонтичную организацию: совместное предприятие GALILEO (GJU, с центральным офисом в Брюсселе). GJU наблюдает и координирует все этапы разработки, тестирования и реализации. GJU гарантирует свою ответственность за администрирование данной программы. Правительства Германии, Италии, Франции, UK, Испании и Бельгии в сумме несут примерно 85% издержек.

GALILEO будет состоять из созвездия спутников на трех циклических орбитах на высоте 23,616 км над Землей. Эти спутники поддерживаются сетью наземных станций.

Ключевые аргументы по введению GALILEO:

Достижение независимости от США. Есть всего две системы спутниковой навигации: Американская GPS и Российская GLONASS. Обе были задуманы с военными целями. На данный момент Российская система не имеет доступных гражданских приложений, поэтому Европейская GALILEO будет единственной альтернативой монополии GPS и Американской промышленности. GPS контролируется Американским правительством, которое может в случае кризиса ограничить или деактивировать систему. Это подчинение Американцам не устраивает Европейцев. Тем не менее, военные США заявили, что готовы разрушить систему GALILEO в случае угрозы безопасности США

Увеличение точности позиционирования. GALILEO планируется более точной, чем GPS. Это расширит возможности, обеспечит точность в пределах от 4 до 15 м. Сервис безопасности будет иметь точность от 4 до 6 м. Чувствительность приема отраженного сигнала также будет снижена. Данное преимущество будет достигнуто благодаря BOC модуляции. GPS также добавит BOC после модернизации.

Получение только гражданской навигационной системы. GALILEO будет разработана в соответствии с гражданскими целями; однако, также она сможет обеспечить функции безопасности. В противовес военно-направленному GPS, GALILEO гарантирует функциональность частных сервисов.

Предоставление большего количества возможностей. GALILEO будет иметь пять различных назначений. Для сравнения, GPS на данные момент имеет только два. В случае модернизации число GPS возможностей для гражданского населения возрастет.

Предоставление функции поиска и спасения. Функции поиска и спасения уже предлагались другими организациями. Новое в GALILEO - подтверждение тревоги.

Увеличение безопасности посредством интеграции сообщений. GALILEO будет более надежной, так как имеет интеграцию сообщения. Это позволит сразу оповестить пользователя об ошибках в работе. Выше этого – гарантия доступности. Для открытого сервиса не было ни гарантии доступности, ни интеграции сообщений. Данные возможности доступны только через EGNOS.

Занятость. Экперты подсчитали, что к 2020 Европейская спутниковая система GALILEO будет предоставлять 130,000-180,000 рабочих мест. С начальными инвестициями в размере шести биллионов евро (вначале смета была на три), GALILEO окупит себя и принесет прибыль в семьдесят четыре биллиона евро .

GNSS Know-How. Большинство производителей спутниковых навигационных систем размещено в США. Спутники и аксессуары к ним, навигационные приемники, измерительные приборы и т.д. в основном разрабатываются и продаются вне Европы. С GALILEO Европа должна приобрести опыт и обеспечивать внутреннюю промышленность квалифицированными кадрами.

Улучшение охвата спутниковыми сигналами. GALILEO обеспечит лучший прием в городах с высокой широтой. Это возможно, потому что спутники GALILEO имеют орбиты под углом 56° от экватора на высоте 23,616 км.

European Geostationary Navigation Overlay Service Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.39 В добавление, современные GNSS приемники могут различать GPS и GALILEO сигналы. Это увеличивает число видимых спутников, от которых можно получить сигналы, тем самым расширяя зону покрытия и повышая точность.

3.3.2 Планируемые сервисы GALILEO Для критических приложений GALILEO обеспечит информацию о работоспособности системы для гарантии точности позиционирования. Под работоспособностью подразумевается надежность предоставляемых данных. Пользователи будут быстро (за 6 секунд) получать предупреждение о том, что точность системы опустилась ниже данного минимума. Операторы GALILEO считают, что эти предупреждения достаточны даже для критических приложений(например, авиационные посадки). Каждый сервис обеспечивает различные требования по функциям, точности, доступности, работоспособности и другим параметрам.

3.3.2.1 Открытый сервис, OS Открытый сервис (OS) предлагается для массовых приложений. Он предоставляет бесплатные сигналы для определения позиции и времени. Приложения с низкими требованиями по точности будут использовать недорогие одночастотные приемники. Так как передаваемые частоты от GALILEO и GPS (L1) одинаковы для такого приложения, навигационные приемники будут комбинировать сигналы. Из-за увеличения числа спутниковых сигналов будет повышен уровень приема даже в плохих условиях (например, в городе). OS не предоставляет информацию о работоспособности системы, и операторы GALILEO не дают гарантию доступности и не несут ответственность.

3.3.2.2 Коммерческий сервис, CS Коммерческий сервис предусмотрен для рыночных приложений с более высокими требованиями, чем OS. CS предназначен обеспечить ряд полезных услуг своим пользователям в обмен на определенную плату. Типичными примерами таких приложений служат сервисы с высокой скоростью передачи данных, с гарантией доступности, с точным временем обслуживания, а также с локальной коррекцией сигналов для позиционирования с максимальной точностью.

3.3.2.3 Сервис по обеспечению безопасности, SoL Данный сервис предназначен для транспортных приложений, для которых ухудшение навигации без предупреждения чревато угрозой для жизни. Первое отличие от OS – наличие высокого уровня информации о целостности системы, предусмотренного для таких приложений как морская навигация, авиация и железные дороги. Данный сервис доступен только при наличии сертифицированного приемника с двойной частотой. Для достижения необходимой защиты сигналов SoL будет использовать авиационные каналы связи (L1 и E5).

3.3.2.4 Общий регулируемый сервис, PRS GALILEO является гражданской системой, которая также будет обеспечивать стабильность и защитные сервисы для правительственных (в том числе военных) целей. Общий регулируемый сервис (PRS) доступен таким клиентам как полиция, пожарные департаменты и пограничные патрули. Доступ к сервису ограничен и контролируется гражданским агенством. PRS должен быть всегда доступен вне зависимости от условий, особенно во время кризисных ситуаций, при которых другие сервисы могут быть разрушены. PRS будет независимым от других сервисов и будет иметь высокий уровень стабильности сигнала. PRS также будет защищен от электронного подавления.

3.3.2.5 Поиск и спасение, SAR SAR сервис будет использоваться для поиска и спасения людей. Аварийные передатчики и спутники будут показывать местоположение отдельных людей, транспортных средств, на земле и на воде в аварийных ситуациях. В конце 1970 года США, Канада, СССР и Франция разработали спутниковую систему для размещения аварийных маяков. Систему назвали SARSAT (Search And Rescue SatelliteAided Tracking). Российское название системы “COSPAS”. COSPAS-SARSAT система использует шесть LEO (Low Earth Orbit) и пять GEO (geostationary) спутников. GALILEO-SAR сервис планирует расширить и улучшить существующую COSPAS-SARSAT систему[x] следующими способами:

Немедленный прием сигнала тревоги из любой точки на Земле (сейчас есть задержки примерно на час).

Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.40

Точное определение позиции аварийных маяков(до метров, а не с текущей точностью в 5 км).

Улучшение эффективности пространственного сегмента посредством увеличения количества доступных спутников для преодоления помех (30 GALILEO спутников в средних орбитах будут добавлены к существующим LEO и GEO спутникам COSPAS-SARSAT системы).

GALILEO введет новую SAR функцию; повторение аварийного сигнала (от оператора SAR по аварийному радио). Это должно упростить спасение и уменьшить число ложных тревог.

GALILEO SAR сервис будет работать совместно с системой COSPAS-SARSAT, с характеристиками и функциями под управлением IMO(International Maritime Organization) и ICAO (International Civil Aviation Organization).

–  –  –

В зависимости от сервиса GALILEO обеспечит разные уровни точности . При использовании приемника с двумя частотами точность будет выше за счет компенсации ошибок транзитного времени сигнала из-за условий ионосферы. При использовании локальных измерений (то есть DGPS) точность может возрасти до сантиметров. Таблица 3 показывает ожидаемую точность в 95% измерений.

–  –  –

Рис. 34: Созвездие спутников GALILEO (картинка: ESA-J.Huart) Спутники GALILEO имеют время жизни 15 лет. Необходимая мощность 1500 Вт будет генерироваться большими солнечными батареями. Для поддержки текущих навигационных данных спутники будут иметь радиоконтакт с наземным сегментом системы с интервалом в 100 минут.

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

Наземный сегмент системы будет состоять из серии управляющих центров, образующих глобальную сеть станций для различных задач. Сюда входит мониторинг целостности сигнала и координирование сервисов поиска и спасения.

Для навигации и управления спутниками планируются управляющие центры. Ядро наземного сегмента будет состоять из двух управляющих центров GALILEO в Германии и Италии .

Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.43 Основным управляющим центром будет German Aerospace (DLR) Center at Oberpfaffenhofen. Отсюда контроль за нормальной работой 30 спутников планируется на 20 лет. Вторым центром со своими специфическими обязанностями по контролю за работой спутников будет центр в Fucino в Италии. Он также является резервным в случае возникновения каких-либо проблем на основном. Управление позиционированием 30 спутников будет поделено между European Satellite Control Center (ESA/ESOC) в Darmstadt, Германия, и French National Space Studies Ce nter (CNES) в Toulouse, Франция. Цепь из 30 мониторинговых станций (IMS), размещенных во всех странах будет управлять целостностью спутниковых сигналов. Два управляющих центра будут оценивать информацию IMS и подавать сигнал тревоги в случае сильного отклонения данных позиции.

Планируется три ракеты Arianne 5, каждая из которых несет восемь спутников (Рис. 36), и три ракеты Союз, каждая из которых несет два спутника GALILEO, ракеты транспортируют спутники на середину земной орбиты (MEO).

Рис. 36: Ariane 5 ракета доставляет 8 GALILEO спутников в космос (GALILEO-industries.net) 3.3.4.1 Сигнальные частоты В зависимости от сервиса будут различные частоты, формы модуляции и скорости передачи данных (См. Таблицу 4 и Рис. 37). Принципиальными формами модуляции будут BPSK и BOC. Исключение составляют E5a и E5b, в которых используется измененная версия модуляции BOC под названием AltBOC.

–  –  –

Дополнительно E5a, E5b, E6 и L1 передают пилотный канал. Пилотный канал не имеет навигационных данных и его фаза смещена на 90° по отношению к другим сигналам. Это уменьшает время обнаружения спутника.

Выше полосы L1, GALILEO и GPS необходимо поделить частоты. В этой полосе GPS имеет 3 сигнала: C/A-сигнал, P(Y)-сигнал и новый M-сигнал. GALILEO будет использовать только два сигнала: L1B-сигнал и E2/E1 пару. Общее использование данной частотной полосы создало в свое время интенсивный конфликт. Это было до тех пор, пока в июне 2004 года США и ЕС не пришли к соглашению по формам связи и модуляции на данных частотах.

На Рис. 38 изображена плотность мощности сигнала на частоте L1, предполагаем, что мощность всех сигналов одинакова (стандартное значение 1 Вт).

Рис. 38: L1 полоса будет интенсивно использоваться GALILEO и GPS (Плотность мощности стандартна - 1 Вт на сигнал) 3.3.4.2 Запланированные даты 26 июня 2004 года после трудных переговоров США и ЕС пришли к соглашению в Дублине. Целью соглашения было сотрудничество и совместимость GALILEO и американской GPS. Спорные вопросы, как, например, назначение частот и форма модуляции, также были отрегулированы. Все это сделало совместное существование GALILEO и GPS возможным. 10 декабря 2004 года в рекомендации Еврокомиссии Европейский совет подтвердил технические характеристики системы (с акцентом на предоставляемые сервисы). Совет адресовал переход от фазы реализации к рабочей фазе и подтвердил участие ЕС в финансировании обеих фаз. В соответствии с этим GALILEO должна стать функционирующей в 2008 году. Коммерческие операции начнутся не раньше 2012 года.

Обслуживание корпорации будет в Тулузе и Лондоне .

Основы спутниковой навигации GLONASS и GALILEO GPS-X-02007-C стр.45

Конструкция системы предполагает четыре фазы:

Определение проекта: целью фазы определения является установка основных параметров и характеристик системы. Фаза была закончена в 2003 году.

Разработка и тесты на орбите: 28 декабря 2005 года первый экспериментальный спутник GIOVE-A был запущен с Российского космодрома Байконур в Казахстане (Рис. 39).

GIOVE - это акроним из GALILEO In-Orbit Validation Element. 12 января 2006 года GIOVEA передал первые сигналы. Сигналы были зарегистрированы и проанализированы наблюдательной станцией по изучению атмосферы и радиоволн в Чилболтоне в Британии, а также наземной станцией ESA в Бельгии . Второй экспериментальный спутник будет запущен на орбиту в конце 2007 года. С GIOVE-A и B EU обеспечит полосы частот для работы GALILEO и определит орбиты для тестовой фазы спутников. Эти спутники будут тестировать важную технологию, атомные часы в жестких условиях космоса. GIOVE-A имеет двое рубидиевых атомных часов (с надежностью примерно 10 нс в день) и GIOVE-B имеет двое пассивных водородно-квантовых часов (с надежностью менее чем 1 нс в день) на борту. После успешного завершения экспериментальной фазы со спутниками GIOVE-A и GIOVE-B будут запущены четыре спутника на орбиту для тестирования (спутники были заказаны 21 декабря 2004 года). С этим “минимальным созвездием” ученые могут увидеть, возможно ли определение точной позиции и местоположения на земле. Вся тестовая фаза должна быть завершена в 2008 году, общая стоимость фазы определения и тестовой оценивается примерно в € 1.1 биллион ($US 1.4 биллиона).

Реализация и запуск всей системы: в случае успеха двух первых фаз система будет доработана для окончательного функционирования. Оставшиеся спутники (четыре в настоящее время уже работают) будут закончены и запущены на орбиту, также будут достроены необходимые наземные станции. Данная фаза планируется к 2011 году и ее стоимость составит около € 2.1 биллиона ($US 2.75 биллионов). 1/3 часть финансируется государством и 2/3 частными инвесторами.

Использование: как только все спутники окажутся на орбите, система заработает. В конце фазы будет 27 рабочих и 3 резервных спутника на орбите. Будут созданы наземные станции, а также сервисные станции местные и региональные. Годовые издержки оцениваются в € 220 миллионов ($US 288 миллионов), из которых государственная доля составит рекордную сумму в € 500 миллионов ($US 655 миллионов) во время запуска системы. В последующие годы основные издержки лягут на плечи частных инвесторов.

–  –  –

Таблица 5: Сравнение свойств систем GPS, GLONASS и GALILEO Отклонение от указанного UTC Идентификация кода: код отличается у каждого спутника Идентификация частоты: частота отличается для каждого спутника

–  –  –

4.1 Введение GNSS системы комбинируют сложный спутник и радиотехнологию для обеспечения навигации приемников с радиосигналами, и демонстрируют множество данных во время передачи, а также идентифицируют передающий спутник. Вычисление позиции с помощью данных сигналов требует математических действий, которые будут описаны в этой главе.

4.2 Вычисление позиции 4.2.1 Принцип измерения транзитного времени сигнала(оценка псевдодиапазона) Для того чтобы приемник GPS определил свою позицию, он должен получать сигналы времени от четырех других спутников (СП 1... СП 4) для вычисления транзитного времени сигнала t1... t4 (Рис.

Рис.40 Сигналы от 4 спутников должны быть получены Вычисления произведены в Декартовой трехмерной системе координат с геоцентрическим началом (Рис. 41).

–  –  –

Рис.41 Трехмерная координатная система Из-за атомных часов на борту спутников, время передачи сигнала со спутника известно с большой точностью. Все спутниковые часы скорректированы или синхронизированы одни с другими и с универсальным временем. Для контраста, часы пользователя не синхронизированы с UTC и, следовательно, идут медленнее или быстрее на t0. Знак t0 положителен, если часы пользователя быстрее. Результирующая ошибка времени t0 является причиной погрешности измерения транзитного времени сигнала и расстояния R. В результате получается неправильное расстояние, известное под названием псевдо-расстояния или псевдо-диапазона PSR .

R: действительный диапазон от спутника до пользователя C: скорость света t1: транзитное время сигнала от спутника до пользователя t0: разница между часами спутника и пользователя PSR: псевдо-диапазон

–  –  –

Подставляем (4а) в (3а) Для того чтобы определить четыре неизвестных переменных(t0, XAnw,YAnw,ZAnw), необходимо четыре независимых уравнения Следующее верно для 4 спутников (i= 1…4) 4.2.2 Линеаризация уравнения Четыре уравнения 6a представляют собой нелинейный набор уравнений. Для его решения нужно сделать линейной корневую функцию согласно модели Тейлора, использующей только первую часть (Рис. 42).

Рис.42 Конверсия последовательности Тейлора Основная (с x = x-x0) Упрощенная (только 1 часть) Для линеаризации четырех уравнений (6a) произвольно предполагаемую величину x0 нужно подставить вместо x.

Для системы GPS это означает, что вместо непосредственного расчета XUser, YUser и ZUser используется предполагаемая позиция XTotal, YTotal и ZTotal (Рис. 43).

–  –  –

Рис.43 Оценка позиции Предполагаемая позиция включает в себя ошибку из-за неизвестных переменных x, y и z.

Расстояние от 4 спутников до предполагаемой позиции можно вычислить с помощью следующего уравнения:

Уравнение (9а) скомбинируем с (6а) и (7а) и получим:

После частичного дифференцирования это даст следующее:

–  –  –

После транспонирования четырех уравнений (11 a) (для i = 1… 4) для четырех переменных (x, y, z и t0) можно применить правила линейной алгебры:

Получение x, y, z используется для повторного вычисления предполагаемой позиции XTotal, YTotal и ZTotal в соответствии с уравнением (8а).

Предполагаемые величины XTotal_New, YTotal_New и ZTotal_New можно теперь ввести в уравнения (13a), используя нормальный итеративный процесс, до тех пор, пока x, y и z станут меньше желаемой ошибки (напр.. 0.1 м). В зависимости от начальной позиции, необходимо от трех до пяти итераций, чтобы ошибка стала менее 1 см.

4.2.4 Итог Для определения позиции пользователя (или его программного обеспечения) будет использовано последнее измеренное значение или предполагаемая новая позиция, для которой с помощью итераций достигается желаемая величина ошибки x, y и z.

Полученное значение t0 соответствует ошибке времени пользователя и может быть использовано для коррекции его часов.

–  –  –

4.2.5.1 Анализ ошибки Компоненты ошибки в вычислениях пока не приняты во внимание. В случае системы GNSS на общую ошибку влияют несколько причин:

Спутниковые часы: хотя каждый спутник имеет четверо атомных часов на борту, ошибка времени в 10 нс приводит к погрешности порядка 3 м.

Спутниковые орбиты: позиция спутника обычно известна в пределах от 1 до 5 м.

Скорость света: сигналы от спутника до пользователя движутся со скоростью света. Но скорость падает при движении через ионосферу и тропосферу и не может считаться константой.

Измерение транзитного времени сигнала: потребитель может только определить момент времени, когда получен сигнал от спутника с ограниченной точностью.

Отражение сигналов: уровень ошибки возрастает из-за приема отраженных сигналов.

Геометрия спутника: способность определять позицию ухудшается, если четыре спутника, использующихся при измерениях закрыты. Эффект геометрии спутника на точности измерений называется DOP(см. Таблицу 6).

Ошибки вызваны различными факторами, которые описаны подробно в Таблице 1, которая включает в себя информацию о горизонтальных ошибках в зависимости от источника.

Применяя корректирующие измерения (Differential GPS, DGPS), можно ошибки уменьшить или устранить.

–  –  –

Точность, с которой позиция может быть определена GNSS в режиме навигации, зависит, с одной стороны, от точности псевдо-диапазона измерений, и, с другой стороны, от геометрической конфигурации используемых спутников. Она выражается скалярным количеством, которое в литературе навигации называется DOP.

Есть несколько обозначений DOP в современном использовании:

GDOP: Геометрическая DOP (позиция в 3-D пространстве, девиация времени в решении)

PDOP: Позиционная DOP (позиция в 3-D пространстве)

HDOP: Горизонтальная DOP (позиция на плоскости)

VDOP: Вертикальная DOP (только высота) Точность любого измерения пропорционально зависит от величины DOP. Это означает, что если увеличить DOP вдвое, то ошибка в определении позиции возрастет также в два раза.

Рис.44 Геометрия спутника и PDOP Значение DOP является обратно величиной по отношению к объему четырехгранника, образованного позициями спутника и пользователя (Рис.44 и Рис. 45). Наилучшее геометрическое расположение при максимальном объеме, и, следовательно, минимальном PDOP.

Рис. 45: Влияние расположения спутника на значение DOP

–  –  –

В гористых областях и в лесах значения DOP играют важную роль при измерениях при возникновении ситуаций с неблагоприятным геометрическим расположением.

Таким образом, необходимо планировать измерения в соответствии со значениями DOP (например, HDOP) или оценивать конечную точность в соответствии с этим, особенно при появлении различных DOP значений в пределах нескольких минут.

Во всех программах планирования и вычисления показаны значения DOP. Рис. 47 показывает пример курса HDOP, когда нет затенения (максимальное значение HDOP примерно 1.9). Рис. 48 показывает пример курса HDOP при наличии затенения (максимальное значение HDOP выше в 20 раз!). Область между 180° и 270° закрыта небоскребами и область между 270° и 180° закрыта горами.

Рис.47: Значение HDOP за период 24 ч без затенения (макс.значение 1.9)

–  –  –

IВ случае обширного затенения есть несколько мгновений с возможным благоприятным значением DOP (менее 2). Моменты времени со значениями DOP больше 6 аннулированы.

4.2.5.3 Общая ошибка Точность измерения пропорционально зависит от значения DOP. Это означает, что при удвоении DOP ошибка также возрастает в два раза.

Обычно: Error (1) = 1 Total RMS Value DOP Value Error (2) = 2 Total RMS Value DOP Value В таблице 7 получены значения сигма 1 (1 = 68%) и сигма 2 (2 = 95%). Данные значения верны для среднего размещения спутников при HDOP = 1.3. Реализация удобных методов коррекции (таких, как взаимосвязанные спутники (Differential GPS, DGPS (см. главу 6))) может уменьшить или устранить число источников ошибки (обычно на 1... 2 м, 1 сигма значение).

–  –  –

Таблица 7: Общая ошибка при HDOP = 1.3 Обычно точность выше, чем указано в таблице. US-Federal Aviation Administration показала, что в 95% случаях всех измерений горизонтальная ошибка была меньше на 7.4 м и вертикальная ошибка была меньше на 9.0 м. Временной период составил 24 часа.

U.S.DoD гарантирует, что система обеспечит стандартным гражданским приложениям точность по горизонтали 13 м, по вертикали 22 м и по времени ~40 нс. При применении специальных мер, например,DGPS, увеличение времени измерения и технических методов (измерение фазы) точность позиции может возрасти до сантиметра.

–  –  –

5.1 Введение Важной проблемой при использовании систем GNSS является множество координатных систем в мире.

В результате, позиция, измеренная и вычисленная системой GNSS, не всегда совпадает с предполагаемой.

Для того чтобы понимать, как функционирует система GNSS, необходимо обратиться к основам науки, которая имеет дело с наблюдением и распределением Земной поверхности, геодезии. Без этого основного знания, трудно понять, почему нужно выбирать из 100 различных систем и приблизительно 10 различных сеток. Если сделать неправильный выбор, ошибка позиции может составлять несколько сотен метров.

5.2 Геоиды Мы знаем, что Земля круглая со времен Колумба. Но круг ли это на самом деле? Описание формы синей планеты всегда было неточной наукой. Несколько других методов пытаются в течение столетий точно описать форму настоящей Земли. Геоид представляет собой аппроксимацию этой формы.

В идеальной ситуации гладкая морская поверхность формирует часть поверхности уровня, которая в геометрическом смысле означает "поверхность" Земли. По аналогии со словом Грек для Земли, эта поверхность названа геоидом (Рис. 27).

Геоид можно определить как математическую фигуру с ограниченной степенью точности и не без нескольких произвольных предположений. Дело в том, что распределение массы Земли нечетное и, в результате, поверхности уровня океанов и моря не лежат на поверхности геометрически определяемой формы; поэтому необходимы аппроксимации.

В отличие от фактической формы Земли, геоид - теоретическое тело, чью поверхность пересекают линии поля гравитации везде под прямым углом.

Геоид часто используется в качестве поверхности для измерения высоты. Контрольная точка находится в Швейцарии - "Repere Pierre du Niton (RPN, 373.600 м) в Женевском бассейне. От этой высоты отсчитываются точки последующих измерений для указания размеров порта Marseilles (высота над уровнем моря 0.00 м).

–  –  –

Рис. 49 Геоид является аппроксимацией поверхности Земли

5.3 Эллипсоид и данные 5.3.1 Сфероид Геоид, тем не менее, очень трудная форма для вычислений. Для ежедневных наблюдений нужна более простая форма. Такая форма известна как сфероид. Если поверхность эллипса вращать вокруг своей симметричной северной-южной оси, то в результате получится сфероид. (Рис. 50).

Сфероид определяется двумя параметрами:

Большая полуось а (на экваториальной плоскости)

Малая полуось б (ось северного и южного полюсов) Значение, на которое форма отклоняется от идеальной сферы, называется выравниванием (f).

–  –  –

5.3.2.1 Локальные эллипсоиды При работе со сфероидом, будьте внимательны, так как естественный перпендикуляр не пересекается вертикально в точке с эллипсоидом, но пересекается с геоидом. Нормальный эллипсоидальный и естественный перпендикуляры различны "вертикальным отклонением" (Рис. 52), то есть существуют точки на Земной поверхности, спроектированные неправильно. Для того чтобы это отклонение было минимальным, каждая страна создала свой собственный не геоцентрический сфероид в качестве поверхности для наблюдения (Рис. 51). Полуоси a и b и средняя точка выбраны таким образом, чтобы типы геоида и эллипсоида национальных территорий были как можно более точными.

5.3.2.2 Данные, системы карт Национальные или международные системы карт, основанные на определенных типах эллипсоидов, названы базисами. В зависимости от карты, используемой приемниками GPS, нужно проверять, что необходимая система карт введена в приемник.

Некоторые примеры этих систем - свыше 120 - CH-1903 для Швейцарии, WGS-84 - глобальный стандарт, и NAD83 для Северной Америки.

–  –  –

Рис. 51 Локальные эллипсоиды Сфероид хорошо подходит для описания позиционных координат точки в градусах долготы и широты.

Информация о высоте основывается или на геоиде или на локальном эллипсоиде. Различие между измеренной ортометрической высотой H, то есть основанной на геоиде, и высотой местного эллипсоида h называется geoid ondulation N (Рис. 30)

–  –  –

Другие системы отсчета используются в Европе, и каждая система, используемая для технических приложений в виде наблюдения, имеет собственное имя. Не геоцентрические эллипсоиды, которые формируют базис, собраны в следующей таблице (Таблица 8). От страны к стране эти эллипсоиды немного отличаются.

–  –  –

5.3.4 Всемирный эллипсоид WGS-84 Отображенные детали и вычисления, сделанные приемником GPS, включают WGS-84 систему отсчета.

WGS-84 координатная система геоцентрически позиционирована относительно центра Земли. Такая система называется ECEF. WGS-84 координатная система - трехмерная, правоориентированная, Декартова система координат со своим центром масс (= геоцентрик) эллипсоида, который аппроксимирует общую массу Земли.

Положительная X-ось эллипсоида (Рис. 53) лежит на экваториальной плоскости (воображаемая поверхность, которая охвачена экватором) и проходит через центр масс через точку, в которой экватор пересекает меридиан Greenwich (0 меридиан). Y-ось также лежит на экваториальной плоскости и смещена на 900 на восток от X-оси. Z-ось лежит перпендикулярно X и Y осям и проходит через географический северный полюс.

–  –  –

6,378,137.00 298,257223563 6,356,’752.31 Таблица 9 Эллипсоид WGS-84 Эллипсоидальные координаты (, h), которые лучше, чем Декартовы координаты (X, Y, Z), обычно используются для дальнейшей обработки (Рис. 54). соответствует широте, - долготе и h эллипсоидальной высоте, то есть длине вертикальной линии P в эллипсоиде.

–  –  –

Таблица 54. Иллюстрация эллипсоидальных координат 5.3.5 Трансформация из локального во всемирный эллипсоид 5.3.5.1 Геодезические данные Как правило, локальные системы отсчета лучше геоцентрических эллипсоидов. Соотношение между локальной (напр. CH-1903) и глобальной геоцентрической системой (напр.. WGS-84) называется геодезическими данными. В случае если оси локального и глобального эллипсоида параллельны, или могут считаться таковыми для приложений в пределах локальной области, то все, что необходимо для datum перехода – три параметра смещения, называемые константами перемещения X, Y, Z.

Далее три угла вращения x, y, z и коэффициент масштабирования m (Рис. 55) можно добавить, чтобы полная формула преобразования содержала 7 параметров. Геодезические данные определяют позицию локальной трехмерной Декартовой системы координат по отношению к глобальной системе.

–  –  –

Рис.55 Геодезические данные Следующая таблица (таблица 10) показывает примеры различных параметров данных.

Дополнительные значения можно найти в .

–  –  –

Таблица 10 Параметры данных 5.3.5.2 Конверсия данных Преобразование данных означает преобразование трехмерной Декартовой системы координат (напр.

WGS-84) в другую (напр. CH-1 903) посредством трехмерного перемещения, вращения и расширения.

Геодезические данные должны быть известны для данного преобразования. Исчерпывающие конверсионные формулы можно найти в специальной литературе или преобразование можно провести напрямую через Internet . Как только преобразование произошло, Декартовы координаты можно трансформировать в эллипсоидальные координаты.

5.3.6 Конвертирование координатных систем 5.3.6.1 Конвертирование Декартовых в эллипсоидальные координаты Декартовы и эллипсоидальные координаты могут быть преобразованы от одних к другим.

Преобразование зависит от квадранта. В качестве примера рассмотрим преобразование для центральной Европы. Это означает, что величины x, y и z являются положительными.

–  –  –

Эллипсоидальные координаты можно конвертировать в Декартовы.

5.4 Координаты на плоскости, проекция Обычно при исследовании поверхности позиция точки P на Земной поверхности описывается эллипсоидальными координатами широты и долготы (на основе эллипсоида), а также высоты (на основе эллипсоида или геоида).

Геодезические вычисления (напр. расстояние между двумя построениями) в эллипсоиде численно очень неудобны, поэтому для технических методов используются эллипсоидальные проекции на плоскость. Это приводит к координатам правоориентированным X и Y. Большинство карт имеют сетку, которая приспосабливает точку к любой местности. Планарные координаты являются проекциями эллипсоидальных координат на математическую плоскость. Проектирование эллипсоида на плоскость невозможно без искажений, но приемлемо, если искажения минимальны.

–  –  –

5.4.1 (Transverse Mercator Projection) Проектирование Gauss-Kruger является тангенциальным, конформным, поперечным Mercator проектированием. Эллиптический цилиндр позиционирован вокруг сфероида, корпус цилиндра приходит в контакт с эллипсоидом вдоль меридиана Greenwich и около полюсов. Для того чтобы держать продольные и поверхностные искажения на минимуме, у эллипсоида Bessel взяты три зоны на широте 30. Ширина зоны позиционирована вокруг первичного меридиана. Цилиндр расположен под углом к эллипсоиду, то есть, повернут на 900 (Рис. 56). Чтобы свести искажения поверхности к минимуму используются 3° широкие зоны вращения эллипсоида. Ширина зоны фиксирована вокруг центрального меридиана. Различные центральные меридианы используются в зависимости от региона (e. g. 6°, 9°, 12°, 15°,....).

–  –  –

Значения в северном/южном направлении считаются от экватора. Во избежание отрицательных значений в западном/восточном направлении для центрального меридиана принято значение +500000 м (Смещение). Число градусов центрального меридиана делится на три и размещается перед этим значением.

Пример позиции:

Координаты эллипсоида: N:46.86154° E 9.51280° Gauss-Krger (Центральный меридиан: 9°): N-S: 5191454 W-E: 3539097 Позиция – это расстояние в 5191454 м от экватора и 399097 м от центрального меридиана (9°).

5.4.2 UTM проекция В отличие от Gauss-Krger проекция UTM (Universal Transversal Mercator) проецируется почти на всю поверхность Земли на 6020 = 1200 плоскостей. Фактическая проекция вращения эллипсоида на трансверсальный цилиндр выполняется в соответствии с процессами в проекции Gauss-Krger.

UTM система часто основана на WGS84 эллипсоиде. Однако она только определяет проекцию и координатную систему, а не эллипсоид и геодезические данные.

UTM система делит весь мир на 6° широких продольных зон (Рис. 57). Те, что имеют номера от 1 до 60, начинаются с 180° W и заканчиваются 180° E. Если, например, зона 1 располагается от 180° W до 174° W, центральный меридиан этой зоны находится в 177° W, зона 2 располагается от 174° W до 168°, центральный меридиан зоны 2 находится в 171° W и т.д..

Основы спутниковой навигации Координатные системы GPS-X-02007-C стр.64 Центральными меридианами для каждой зоны проекции являются 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° восточной (E) и западной (W) (долготы) (Рис. 58).

Направления север-юг (на полюсы) подразделяются дополнительно на зоны, за исключением 8° широты и идентифицируются названиями с C. Допускается зона только между 80° южной долготы до 84° северной долготы. Линия от 80° южной долготы до 72° северной долготы обозначается как Сектор C, линия от 72° южной долготы до 64° южной долготы как Сектор D и т.д. Исключение составляет область, известная как широта X между 72° северной долготы и 84° северной долготы. Это 12° широта.

Рис. 57: Принцип проецирования одной зоны (из шести) Рис. 58: Обозначение зон, использующих UTM, с примерами

–  –  –

5.4.3 Шведская проекционная система (конформная двойная проекция) Конформное проектирование эллипсоида Bessel на плоскость имеет два этапа. Эллипсоид первоначально проецируется на сферу, а затем сфера проецируется на плоскость посредством цилиндра, установленного под острым углом. Этот процесс известен как двойное проецирование (Рис.

59). Основная точка эллипсоида (Старая обсерватория в Берне) спроецирована на плоскость с учетом подлинной координатной системы (со смещением: YOst = 600,000 м и XNord = 200,000 м).

Две различных установки координат выделены на карте Швейцарии (масштаб 1:25000):

Координаты поверхности (X и Y в километрах), спроецированные на плоскость с соответствующей сеткой

Географические координаты (долгота и широта в градусах и секундах), основанные на эллипсоиде Bessel

–  –  –

Рис.59 Принцип двойного проецирования Транзитное время сигналов с 4 спутников должно быть известно для получения координат позиции.

Только после основного вычисления и преобразования координаты позиции в Швеции будут соответствовать действительности (Рис. 60).

–  –  –

Есть несколько возможностей в Интернете для преобразования одной координатной системы в другую .

5.4.4.1 Конвертирование WGS-84 координат в CH-1903 координаты в качестве примера.

(Взято из "Bezugssysteme в der Praxis" (практические системы отсчета) Urs Marti и Dieter Egger, Федеральный Офис Национальной Топографии).

Внимание! точность порядка 1 метра!

1.Конвертирование долготы и широты Долгота и широта в WGS-84 должны быть преобразованы в шестидесятеричные секунды[‘’]

Пример:

1. После конвертирования широта 46° 2’ 38.87” (WGS-84) станет 165758.87”. Это обозначается как B: B = 165758.87”.

2. После конвертирования долгота 8° 43’ 49.79” (WGS-84) станет 31429.79”. Это обозначается L: L = 31429.79”.

2.Расчет вспомогательных величин

Пример:

3.Вычисление абсциссы (W…E):y

Пример:

4.Вычисление ординаты (S…N):x

Пример:

5.Вычисление высоты H:

Пример:

После конверсии, высотаWGS-84= 650.60 м получается H = 600 м

–  –  –

6.1 Введение Предшественницей всех GNSS систем была система GPS. Фактически она использовалась так часто, что под термином спутниковой навигации понимается именно GPS. Разработанная GPS имеет некоторые ограничения, которые потребовали улучшения технологии. Данная глава изучает технологические достижения GPS, которые стали стандартами и для GNSS.

Изначально разработанная для военных целей, сейчас GPS система в основном используется для гражданских приложений, таких как наблюдение, навигация, позиционирование, измерение скорости, определения времени, мониторинга и т.д. GPS не была предназначена для приложений с высокими требованиями к точности, мерам безопасности или к работе в закрытых помещениях. По этой причине позднее потребовались изменения.

Увеличение точности позиционирования, появился Differential-GPS (D-GPS).

Улучшение точности позиционирования и надежности(стабильность очень важна для приложений безопасности), для этого были созданы SBAS (Satellite Based Augmentation System) такие как EGNOS и WAAS.

Улучшение чувствительности в закрытых помещениях или уменьшение времени захвата, была предложен версия Assisted-GPS (A-GPS).

Улучшение качества приема GPS приемников непрерывно совершенствовалось, также повышалась чувствительность приемников с помощью высокочувствительного GPS (HSGPS).

6.2 Источники ошибки GPS

Точность позиционирования составляет примерно 13 м для 95% всех измерений (с HDOP точность составит 1.3 м) и как обсуждалось в предыдущей главе, данная точность недостаточна для приложений. Для повышения точности до метра и лучше необходимы экстра усилия. Различные источники добавляют ошибку в измерения GPS. Эти случаи и источники приведены в Таблице 11. Данные значение являются примерными и могут варьироваться от приемника к приемнику.

–  –  –

Рис. 61: Влияние времени измерения на отражения

Влияние приемника: дальнейшие ошибки возникают из-за шума измерений приемника GPS и задержек по времени в приемнике. Современные технологии могут уменьшить данный эффект.

Влияние расположения спутника, включая затенения (DOP): этот эффект будет подробно обсуждаться в главе 4.2.5.2.

6.3 Возможности уменьшения ошибки измерения Уменьшение влияния ошибок измерения приведет к повышению точности позиционирования. Различные варианты используются для этого и часто комбинируются. Наиболее часто встречаются:

Измерение двойной частоты: L1/L2 сигналы используются для компенсации эффекта ионосферы. Такие приемники измеряют сигналы GPS на частоте L1 и L2. Если радиосигнал передается через ионосферу, то он замедляется пропорционально его частоте. Сравнивая полученные времена обоих сигналов, можно определить задержку и, следовательно, эффект ионизации.

Геофизические корректирующие модели. Такие модели используются для первичной компенсации эффектов ионосферы и тропосферы. Корректирующие факторы используются только в специальных и ограниченных областях.

Differential GPS (DGPS): при рассмотрении одной или нескольких базовых станций приходится корректировать разные ошибки. Оценка коррекционных данных от этих станций возможна как после обработки, так и в режиме реального времени (RT). Решения Real Time (RT DGPS) требуют данные связи между базовой станцией и мобильным приемником. DGPS применяет ряд других процессов:

RT DGPS, основан на стандарте RTCM SC104

DGPS на основе измерения задержки транзитного времени сигнала (Коррекции псевдодиапазона, достижимая точность 1 м)

DGPS на основе измерения фазы несущего сигнала(достижимая точность 1 см)

Пост-обработка(последовательная коррекция и обработка данных).

Выбор места и времени измерения для улучшения видимости или линии прямого контакта со спутниками (См. объяснения на DOP 4.2.5).

–  –  –

В теории, достижимый уровень точности примерно 15 - 20 м. Для действий, требующих точность порядка 1 см, точность должна быть выше. Промышленность нашла простое и надежное решение этой проблему: Дифференциал GPS (DGPS). Принцип DGPS очень прост. Отсчетная станция GPS установлена в точке с известными координатами. Отсчетная станция GPS определяет позицию человека посредством четырех спутников. Так как точная позиция станции известна, можно вычислить любое отклонение от измеренной фактической позиции. Это отклонение (дифференциальная позиция) также действительно для любых приемников GPS в пределах радиуса 200 км от станции.

Дифференциальную позицию можно использовать для коррекции позиции, измеренной другими приемниками GPS (Рис. 62). Любое отклонение от позиции может передаваться непосредственно по радио или его коррекция возможна после получения измерений. На основе этого принципа точность может возрасти до нескольких миллиметров Важно, чтобы коррекция была основана на значениях псевдодиапазона, а не отклонением позиции от отсчетной станции GPS. Отклонения основаны на псевдодиапазонах определенных спутников и могут сильно отличаться в зависимости от позиции, которую использует спутник. Коррекция на основе просто отклонения от позиции отсчетной базовой станции в расчет не берется и даст ложные результаты.

–  –  –

Рис. 62 Принцип работы GPS со станцией отсчета 6.3.1.1 Подробный метод работы Эффекты ионосферы непосредственно влияют на неточность данных В технологии DGPS большинство подобных ошибок можно компенсировать.

Компенсация происходит в трех фазах:

1. Определение коррекционных значений от станции отсчета

2. Передача коррекционных значений от станции к GPS пользователю

3. Корректировка псевдо-диапазона, измеренного пользователем 6.3.1.2 Определение коррекционных значений Отсчетная станция, чьи координаты точно известны, измеряет L1 транзитное время сигнала от всех видимых спутников GPS (Рис. 63) и определяет псевдо-диапазон этой переменной (фактической величины). Поскольку позиция станции известна точно, то можно вычислить действительное расстояние (целевая величина) до каждого спутника GPS

–  –  –

Рис.63 Определение коррекционных значений 6.3.1.3 Передача коррекционных значений Так как величины коррекции можно использовать в пределах обширной территории для коррекции измеренного псевдо-диапазона, то их можно без задержки передать с помощью любого пригодного устройства (передатчик, телефон, радио, и т.п.) другим пользователям GPS (Рис. 39).

–  –  –

Рис.64 Передача коррекционных значений 6.3.1.4 Корректировка измеренного псевдо-диапазона После получения значений коррекции пользователь GPS может определить действительное расстояние, используя измеренный псевдо- диапазон (Рис. 65). Точную позицию пользователя теперь можно вычислить из данной величины. Все причины ошибки устранены за исключением шума приемника и отраженных сигналов.

–  –  –

Рис.65 Корректировка измеренного псевдо-диапазона 6.3.2 DGPS, основанный на измерении несущей фазы При измерении псевдо-диапазон точность порядка 1 метра недостаточна для решения проблем наблюдения. Для повышения точности до нескольких миллиметров нужно оценить фазу несущего сигнала. Длина несущей волны примерно 19 см. Диапазон спутника можно определить, используя следующий метод (Рис. 66).

–  –  –

Рис.66 Принцип измерения фазы Измерение фазы является неопределенным процессом, поскольку N неизвестно. Наблюдая за несколькими спутниками в различные моменты времени и непрерывно сравнивая приемник пользователя с отсчетным (во время или после измерения), можно определить позицию с точностью до нескольких миллиметров после решения многочисленных комплектов уравнений.

6.3.3 DGPS пост-обработка (Транзитное время сигнала и измерение фазы)

DGPS пост-обработка выполняет поиск корректирующих факторов, используя соответствующее программное обеспечение, после проведения измерений. Отсчетные данные берутся или от частных отсчетных станций или от общедоступных серверных систем. Недостаток состоит в том, что проблема с данными (плохой прием со спутника, поврежденный файлы и т.д.) иногда не обнаруживается после того, как корректирующие значения вычислены и переданы, требуя повторения всего процесса.

–  –  –

Таблица 12: Процесс передачи различных сигналов (для измерения кода и фазы) Большинство стран имеют собственные системы для передачи коррекционных данных. Подробное описание этих систем не входит в данное руководство. Некоторые отдельные системы будут рассмотрены ниже.

–  –  –

6.3.6 Стандарты передачи для коррекционных сигналов DGPS трансляторы передают транзитное время сигнала и коррекции несущей фазы. Для большинства GBAS и некоторых спутников на основе систем WADGPS (LandStarDGPS, MSAT, Omnistar или Starfire) коррекционные данные DGPS передаются в соответствии со стандартом RTCM SC-104. Как правило, приемник должен быть оборудован специальным декодером для получения и обработки данных. Спутник на основе систем Augmentation Systems таких как WAAS, EGNOS и MSAS использует стандарт RTCA DO-229. Поскольку частоты RTCA и форматы данных совместимы со всеми GPS, современные GNSS приемники могут вычислить RTCA данные без дополнительного оборудования, в отличие от RTCM (Рис. 67).

В Таблице 13 приведены стандарты, используемые для DGPS коррекционных сигналов, а также ссылки, касающиеся GNSS.

–  –  –

6.4.1 GBAS сервисы Среди большого количества наземных DGPS сервисов известны такие сервисы как Ground Based Augmentation Services (GBAS), опишем их здесь более подробно. Во многих странах используются подобные системы. Следующий список описывает некоторые GBAS сервисы, доступные в Европе.

6.4.2 Европейские GBAS сервисы

SAPOS: (German Surveying and Mapping Administration Satellite Positioning Service) является DGP S постоянно работающим сервисом. Данные сервис доступен по всей Германии. Основной системы является сеть отсчетных станций GPS. Для коррекции значений в режиме реального времени данные передаются с использованием УКВ радио, длинных волн, GSM и собственных двухметровых (VHF) частот. УКВ радио передатчики транслируют сигнал коррекционных данных в RASANT (Radio Aided Satellite Navigation Technique) формате. Это конверсия RTCM 2.0 для передачи данных в Radio Data System (RDS) формате с использованием УКВ звуковой трансляции. SAPOS включает в себя четыре сервиса с различными характеристиками и точностью:

SAPOS EPS: сервис позиционирования в режиме реального времени o SAPOS HEPS: сервис высокоточного позиционирования в режим реального времени o SAPOS GPPS: сервис геодезического точного позиционирования o SAPOS GHPS: сервис геодезического высокоточного позиционирования o

ALF: (Accurate Positioning by Low Frequency) трансляторы коррекционных значений с выходом в 50 кВт из Mainflingen, Германия (около Франкфурта). Длинноволновой транслятор DCF42 (LW, 123.7 КГц) передает коррекционные значения на расстояние 600– 1000 км. Эта верхняя боковая полоса (USB) является фазомодулированной (Bi-Phase-ShiftKeying BPSK). Германский федеральный центр картографии и геодезии совместно с German Telecom service (DTAG) обеспечивают данный сервис. При покупке необходимого декодера пользователь платит один раз. Из-за того, то коррекционные данные распространяются на длинных волнах, они могут быть получены при наличии затенения.

AMDS: (Amplitude Modulated Data System) предназначено для цифровой передачи на средних и длинных частотах, используя существующие радиотрансляторы. Данные являются фазомодулированными и передаются на расстояние 600 – 1000 км.

Swipos-NAV: (Swiss Positioning Service) представляет коррекционные данные с использование FM-RDS или GSM. Radio Data System RDS является Европейским стандартом цифровых данных с использованием сети УКВ трансляторов (FM, 87-108 МГц). RDS был разработан для обеспечения информацией в диапазоне выше УКВ. RDS данные модулируются частотой 57 КГц на FM несущей. Пользователю необходим RDS декодер для расширения коррекционных значений DGPS. Для гарантии хорошего приема необходим прямой контакт с УКВ транслятором. Пользователи данного сервиса могут платить раз в год или один раз при покупке.

Радиомаяки: радиомаяки являются сооружениями навигации и устанавливаются, как правило, вдоль берегов. Коррекционные сигналы DGPS обычно передают на частоте примерно 300 КГц. Скорость сигнала варьируется в зависимости от транслятора и составляет 100 и 200 бит в секунду.

Основы спутниковой навигации Дополнения GPS: DGPS, SBAS, A-GPS и HSGPS GPS-X-02007-C стр.77

6.5 Глобальная область DGPS (WADGPS) 6.5.1 Satellite Based Augmentation Systems, SBAS (WAAS, EGNOS) 6.5.1.1 Введение Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) используется для усиления функций GPS, GLONASS и GALILEO (как только она станет рабочей). Коррекционные и достоверные данные для GPS или GLONASS транслируются с геостационарных спутников над частотой GNSS.

6.5.1.2 Наиболее важные функции SBAS SBAS значительно лучше GPS, поскольку точность позиционирования и надежность выше. SBAS, в отличие от GPS, осуществляет дополнительную передачу Сигалов от различных геостационарных спутников.

Увеличение точность позиционирования с использованием коррекционных данных: SBAS обеспечивает различные коррекционные данные, которые повышают точность позиционирования GNSS. Ионосферная ошибка, возникающая из-за задержки сигнала, скорректирована. Ионосферная ошибка варьируется в зависимости от времени дня и местности. Для проверки глобальной правильности данных необходимо обработать сеть наземных станций для вычисления ионосферной ошибки. В дополнение к ионосферным значениям SBAS проверят коррекционную информацию относительно расположения спутника (эфимерис) и измерение времени.

Повышение надежности и безопасности: SBAS проверяет каждые спутник GNSS и уведомляет пользователя о возникновении ошибки или поломки в течение 6 с. Информация да/нет передается, только если качество полученных сигналов ниже определенных пределов.

Увеличение доступности посредством трансляции навигационной информации: SBAS геостационарные спутники передают сигналы, похожие на сигналы GNSS, хотя они пропускают данные точного времени. GNSS может определить позицию по этим сигналам, используя процедуру под названием “pseudoranging”.

6.5.1.3 Обзор существующих и планируемых систем Хотя все Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) включают в себя большие регионы(например, Европу), они должны быть совместимы друг с другом, и провайдеры SBAS должны сотрудничать и договариваться об общих принципах работы. Совместимость гарантируется применением стандарта RTCA DO-229C. В настоящее время SBAS системы определены для областей, приведенных ниже, которые работают или находятся в разработке и являются совместимыми (Рис. 68):

Северная Америка(WAAS, Wide Area Augmentation System): US Federal Aviation Administration (FAA) ведет разработку Wide Area Augmentation System (WAAS), которая покрывает большую часть континентального США, а также Аляску и Канаду. WAAS работает со спутниками POR и AOR-W. Эти спутники должны стать активными в 2007/2008 годах. Непрерывная работа данного сервиса будет достигнута с помощью двух новых спутников, расположенных на 133°W и 107°W. Планируется расширить сервис на Канаду с помощью Канадской системы “CWAAS”.

Европа (EGNOS, European Geostationary Overlay Service): Европейская группа трех, включая ESA, Европейский союз и EUROCONTROL, разрабатывают EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay Service. EGNOS предназна чен для региона European Civil Aviation Conference (ECAC). В июне 2006 года EGNOS не был полностью одобрен для работы с приложениями высокой безопасности(например, с авиацией). Окончательный выпуск системы запланирован на 2007/2008 годы. Текущее состояние спутников EGNOS можно изучить в .

Япония (MSAS, Multifunctional Satellite Based Augmentation System): Японский офис Civil Aviation разрабатывает систему MTSAT на основе Augmentation System (MSAS), которая будет покрывать все пространство Японии.

Основы спутниковой навигации Дополнения GPS: DGPS, SBAS, A-GPS и HSGPS GPS-X-02007-C стр.78

Индия(GAGAN, GPS and GEO Augmented Navigation): Indian Space Research Organization (ISRO) пытается разработать систему, совместимую с другими SBAS системами. Начало данной системе положат 4 GSATспутника, запуск которых планируется в 2007 году. Планируется создать независимую GNSS систему для Индии под названием Indian Regional Navigational Stellite System (IRNSS).

Китай(Beidou): Beidou система включает в себя три геостационарных спутника (140°E, 110.5°E and 80°E), принадлежащих Китайскому правительству, система задумывалась как региональное расширение Китайской навигационной системы COMPASS. Окончательное введение системы в эксплуатацию неизвестно.

Рис. 68: Позиция и средства WAAS, EGNOS, GAGAN и MSAS

Геостационарные спутники (Таблица 14) транслируют сигналы с высоты примерно 36,000 км над экватором в направлении области использования. Pseudo Random Number (PRN) определен для каждого спутника. Частота трансляции сигналов такая же как GPS (L1, 1575.42 МГц).

–  –  –

Рис. 69: Принцип все системl Satellite Based Augmentation Systems SBAS

Отсчетная станция: в области SBAS есть несколько базовых отсчетных станций, объединенных в общую сеть. Базовые станции получают GNSS. Они внимательно изучаются по отношению к позиции. Каждая базовая станция определяет разницу между фактической и вычисленной позиции относительно спутников (псевдодиапазон). Данные затем передаются управляющему центру.

Управляющий центр: управляющие центры выносят оценку коррекционным данным от базовых отсчетных станций, определяют точность всех GNSS сигналов, полученных от каждой отсчетной станции, рассчитывают погрешности, возможность возникновения турбулентности в ионосфере и проверяют достоверность системы GNSS. Изменения данных интегрируются в сигнал и передаются через спутниковые наземные станции.

Спутниковые наземные станции: эти станции транслируют сигналы различным геостационарным спутникам.

–  –  –

6.5.2 Спутниковые сервисы DGPS с использованием RTCM SC-104 Несколько геостационарных спутников непрерывно транслируют коррекционные данные. Ниже приведены некоторые из этих сервисов. Данные сервисы используют RTCM SC-104 стандарт и требуют специального декодера.

MSAT: разработан National Research Council в Канаде, этот сервис транслирует CanadaWide DGPS (CDGPS) сигналы, используя два геостационарных спутника.

Omnistar (Fugro Group) и LandStar-DGPS, (Thales Company), независимо транслируют коррекционные данные через 6 GEO спутников(Рис. 70). Сервисы платные и пользователи должны иметь доступ к специальному приемнику/декодеру для его использования. Omnistar и Landstar транслируют информацию на частоте L-band (1-2 ГГц) на землю. Базовые станции распространены по всему миру. Геостационарные спутники расположены на центральной широте низко над горизонтом (10°... 30°). Нахождение в пределах прямой видимости необходимо для радиоконтакта.

Рис. 70: Зона распределения LandStar-DGPS и Omnistar

Starfire Property of NavCom Technology, Inc., транслирует коррекционные данные через 3 Inmarsat GEO спутника. Сервис платный и пользователь должен иметь доступ к специальному приемнику/декодеру для его использования. Starfire транслирует информацию на частоте Lband (1-2 ГГц) на землю. Соответствующие базовые станции распространены по всему миру. Сервис доступен в диапазоне от ± 76° широты.

–  –  –

Таблица 16: Точность позиционирования без и с DGPS/SBAS

6.7 Assisted-GPS (A-GPS) 6.7.1 Принцип A-GPS Допустим, что устройства для Location Based Services (LBS, см. 9.2.1) работают не всегда. Особенно в случаях, когда локализация получена с GNSS, поскольку работа от батарей прекращается во время долгих стационарных периодов для минимизации потребляемой мощности. Поскольку GNSS устройство работает не всегда, есть вероятность, что информация относительно позиции спутника может оказаться недоступной. При неактивности 2 и более часов для запуска должны быть загружены орбитальные данные спутников. GNSS приемнику обычно необходимы последние 8-36 секунд для получения орбитальных данных и вычисления позиции. В трудных условиях приема (в городе, где высокие здания закрывают прямой обзор неба) вычисление первой позиции может потребовать нескольких минут.

В отсутствие орбитальных данных GNSS приемники должны провести поиск доступных спутников, загрузить данные и вычислить позицию. Поиск GPS спутников (к примеру) по КодуЧастоте-Уровню занимает много времени. Время корреляции обычно составляет 1 мс (1 C/A период) на позицию по коду-частоте-уровню. Если частотный диапазон будет разбит на 50 шагов(то есть частотный интервал составляет (2 x 6000 / 50 Гц = 240 Гц), тогда потребуется пройти 1023 x 50 = 51,150 позиций, что займет 51 секунду. См.раздел 6.8.

Данную проблему можно исправить получением спутниковых орбитальных данных и дополнительной доступной GNSS информации, используя другие каналы связи, например, через GSM, GPRS, CDMA или UMTS. Данное решение называется Aiding(вспомогательное) и реализуется с помощью Assisted-GPS. Assisted-GPS (или A-GPS) является функцией или сервисом, который использует вспомогательные данные для получения позиции. GNSS приемник получает вспомогательные данные по мобильной связи или непосредственно по Интернету.

Вспомогательные данные включают в себя следующую информацию:

Расположение спутника (Альманах)

Точные орбитальные данные (Эфимерис, орбиты)

Информация о времени

Частота Доплера и Смещение частоты (Ошибка) GNSS приемника Основы спутниковой навигации Дополнения GPS: DGPS, SBAS, A-GPS и HSGPS GPS-X-02007-C стр.82 С доступной вспомогательной информацией GNSS приемник может быстро вычислить позицию даже при плохих условиях. В зависимости от сложности и содержимого вспомогательной информации может сильно меняться время запуска. Время запуска также зависит от интенсивности GNSS-сигнала. Обычно это соответствует действительности, но все-таки чем более полная вспомогательная информация, тем быстрее проходит запуск. Мобильная станция передачи со встроенным GNSS устройством также требует наличия в пределах видимости четырех спутников. Для использования AGPS GNSS приемникам необходим интерфейс для получения дополнительных данных.

Можно сэкономить время, устранив прием орбитальных данных. В дополнение к этому, можно сократить область поиска, если известны Частота Допплера и смещение частоты GNSS приемника (Рис. 71). Это приводит к ускорению захвата сигнала и экономит время.

–  –  –

Вспомогательная информация собрана в сети GNSS отсчетных станций (GNSS Reference Network), расположенной по всему миру.

Ниже на блочной диаграмме проиллюстрирована обычная A-GPS система (Рис. 72), состоящая из глобальной системы GNSS приемников, центрального сервера, который предоставляет вспомогательные данные и A-GPS приемников (GNSS конечные устройства). GNSS приемники глобальной сети получают соответствующую спутниковую информацию и передают ее серверу. Сервер вычисляет вспомогательные данные и передает их (по мобильной связи или интернету)по требованию GNSS конечных устройств для быстрого вычисления первой позиции.

–  –  –

Рис. 72: Система Assisted-GPS 6.7.2 A-GPS с онлайн вспомогательными данными (Real-time A-GPS) С принципом онлайн или режимом реального времени вспомогательные данные напрямую загружаются с сервера по необходимости и являются верными короткое время. Недостатком данного принципа является относительно медленная связь (GPRS, например, требует 30 с) или недоступность выхода в интернет.

6.7.3 A-GPS с оффлайн вспомогательными данными (Predicted Orbits)

A-GPS с оффлайн вспомогательными данными представляет собой систему, обеспечивающую GNSS приемник предопределенными орбитальными данными (Predicted Orbits). Приемник сохраняет эту информацию, и связь с сервером прерывается. В следующий раз GNSS приемник запускает сохраненную информацию, чтобы использовать ее для определения текущей орбитальной информации для навигации. Следовательно, нет необходимости ждать, пока вся эта информация будет загружена со спутников, и приемник может немедленно начать навигацию. В зависимости от провайдера, вспомогательные данные могут быть верными до 10 дней, однако со временем точность позиционирования падает.

6.7.4 Сеть

Предопределение орбит, данные о которых передаются A-GPS в режиме реального времени, требует по всему миру сети мониторинговых станций, которые непрерывно и точно отслеживают перемещения спутников. Мощные сервер использует эти данные для определения орбит на ближайшие несколько дней. Примером такой сети служит International GNSS-Service (IGS, или International GPSService ), который по всему миру образует сеть (Рис. 73).

–  –  –

6.8 Высокочувствительный GPS (HSGPS) Пока востребованы приложения срочного вызова или Location Based Services, требующие хорошего приема в зданиях и городских каньонах, качество приема GNSS-приемников постоянно улучшается. Основные усилия направлены на:

Повышение чувствительности сигнала

Быстрый поиск при активации приемника (время первой фиксации, TTFF)

Снижение чувствительности к интерференции(интерференции отраженных сигналов или электромагнитной интерференции) Разные производители используют разные стратегии для улучшения изделий. Большинство из них обсуждается в этой главе, включая:

Повышение стабильности генератора

Антенны

Анализ помех

Увеличение корреляторов и времени корреляции 6.8.1 Повышение стабильности генератора Разработка и использование генераторов повышенной стабильности позволяет уменьшить или компенсировать зависимость кварца от температуры, чтобы, в свою очередь, уменьшить время поиска сигнала в необходимых частотных областях. Сюда входят кристаллические генераторы с температурной компенсацией (TCXO).

В дополнение, исследования показали, что обычные кварцевые генераторы производят

9 микровариации на частоте 10 Гц. Причиной этих вариаций является неточная структура кварцевого кристалла. Из-за этих частотных изменений время поиска может возрасти, так как поиск FrequencyCode-Level во время процесса корреляции нарушен. Разработка кварцевых генераторов с пониженной тенденцией к микровариациям приведет к уменьшению помех.

–  –  –

6.8.3 Анализ помех Помеха (NF) является величиной, которая показывает, что соотношение сигнал/шум входящего сигнала уменьшается за счет добавления шума самого приемника.

–  –  –

Рис. 74: Блочная диаграмма входных состояний С обычными помехами на первой и последующих стадиях усиления в 20 Дб и 1.6 Дб соответственно возможны только предельные улучшения с новыми технологиями, developments . Дальнейшее продвижение в этой области практически невозможно.

6.8.4 Корреляторы и время корреляции Спектральная плотность мощности полученных GNSS сигналов примерно на 16 Дб ниже плотности термического шума(см. Рис. 16). Демодуляция и концентрирование полученных GNSS сигналов дает усиление системы GG в 43 Дб (см. Рис. 24).

Увеличение времени корреляции (Интеграция времени или интервал времени) повышает чувствительность GNSS модуля. Более длинный коррелятор находится на специальном частотном уровне, ниже требуемой интенсивности GNSS сигнала для антенны.

При возрастании времени корреляции на величину k увеличение GR отдельно от термического шума составит:

GR = log10 (k) Удвоение времени корреляции дает в результате разделение сигнал – шум в 3 Дб. На практике увеличение времени корреляции до 20 мс не составляет проблемы. При известном значении переданных битов данных это время может дополнительно возрасти. В противном случае, возможно через некогерентную интеграцию увеличить время корреляции до 1 секунды, что, однако, приведет к потере в несколько Дб.

Для повышения чувствительности поиска увеличено количество дополнительных корреляторов.

Современные GNSS приемники обычно имеют чувствительность примерно 160 Дбм. Данный GPS оператор (US Department of Defense) гарантирует интенсивность сигнала – 130 Дбм, GNSS приемники, следовательно, могут работать в зданиях с ослаблением сигнала до 30 Дб.

–  –  –

Рис. 75: GNSS усилитель (внешняя антенна, электрический адаптер и силовой провод, усилитель и внутренняя антенна)

6.10 Псевдоспутники для внутренних приложений Псевдоспутники являются передатчиками на земле, которые функционируют аналогично GNSS спутникам. Псевдоспутники часто используются в авиации при посадках. Данная процедура обычно не используется для внутренних приложений, так как некоторые необходимые компоненты очень дороги.

–  –  –

7.1 Введение Приемникам GNSS необходимы различные сигналы для функционирования (Рис. 76). Эти переменные являются передачей после того, как позиция и время успешно будут вычислены и будут определены.

Для различных портативных типов изделий есть или международные стандарты для обмена данными (NMEA и RTCM), или изготовитель предоставляет предопределенные форматы и протоколы.

–  –  –

Для передачи вычисленных переменных GNSS, таких как позиция, скорость, курс и т.п. на периферийное устройство (напр. компьютер, экран, трансивер), модули GPS имеют последовательный интерфейс (уровни TTL или RS-232). Наиболее важная часть информации приемника передается через этот интерфейс в специальном формате данных. Этот формат сертифицирован Национальной Морской Ассоциацией Электроники (NMEA), так что обмен данными происходит без проблем. В настоящее время данные передаются в соответствии со спецификацией NMEA-0183. NMEA определяет комплекты данных для различных приложений напр. GNSS (Спутниковая Система Глобальной Навигации), GPS, Loran, Omega, Transit и для различных изготовителей.

Следующие семь комплектов данных широко используются модулями GNSS для передачи информации GNSS:

1. GGA(GPS Fix данные, данные для GPS системы)

2. GLL(географическая позиция – широта/долгота)

6. VTG(курс над планетой и скорость планеты, горизонтальный курс и горизонтальная скорость)

7. ZDA(время и данные)

–  –  –

В случае NMEA скорость передачи данных 4800 Бод с использованием 8- битовых символов ASCII.

Передача начинается со стартового бита (логический ноль), далее следуют восемь бит данных и стоповый бит (логическая единица). Биты четности не используются.

–  –  –

Рис.77 Формат NMEA(уровни TTL или RS-232) Различные уровни следует принимать во внимание, в зависимости от используемых уровней приемником GNSS - TTL или RS-232 (Рис.

В случае интерфейса уровня TTL, логический ноль соответствует приблизительно 0 В и логическая единица соответствует рабочему напряжению системы (+3.3В... +5В)

В случае RS-232 интерфейса, логический ноль соответствует положительному напряжению (+3В... +1 5В) и логическая единица - отрицательному напряжению (-3В... -1 5В).

Если модуль GPS с интерфейсом уровня TTL подключен к устройству с интерфейсом RS-232, то необходимо произвести преобразование уровня (см. 7.3.4).

Некоторые модули GPS позволяют передавать на скорости вплоть до 38400 бит в секунду.

GPS данные имеют следующую структуру:

$GPDTS,inf_1,inf_2, inf_3,inf_4,inf_5,inf_6,inf_n*CSCRLF Функции отдельных символов или значения символов приведены в таблице 17.

–  –  –

Таблица 17. Описание отдельных блоков NMEA DATA SET Максимальное количество используемых символов не должно превышать 79. При этом стартовый знак $ и конечные знаки CR}