Спутниковая навигация - это в первую очередь высокоточное средство для определения координат местопребывания физических объектов. Находить искомые объекты при помощи современных навигационных систем можно практически в любой точке планеты. Активно развивающиеся современные способны обеспечить обширное покрытие для передачи точных навигационных данных.
навигация?
Спутниковые навигационные системы представляют собой широкий комплекс электронного оборудования и в виде совокупности космического и наземного оборудования.
Навигация - это средство для определения положения объектов. Впрочем, наиболее современные средства спутниковой навигации позволяют практически безошибочно определять такие параметры, как скорость или направление движения объекта и прочее.
В основе навигационных систем лежат орбитальные спутниковые группировки, в составе которых может находиться от двух до нескольких десятков спутников. Основной их задачей является обмен радиосигналами между собой и наземными системами контроля. В свою очередь, клиентское оборудование пользователей применяется для определения нужных координат на основе полученной из центров управления навигацией информации.
Принцип работы спутниковой системы навигации
Работа спутниковых систем основана на определении расстояния от спутника до антенны объекта, координаты которого необходимо вычислить. Условная карта расположения всех спутников в системе известна как альманах. Большинство приемников спутниковой навигации способны сохранять такую карту в памяти и мгновенно получать необходимые данные. Таким образом, программы навигации на основании геометрических построений координат позволяют вычислить точное положение объекта на карте.
Персональные спутниковые навигаторы
Современные персональные навигаторы являются высокотехнологичными устройствами, предназначенными не только для приема данных спутниковой навигации, но также для предоставления пользователю богатых мультимедийных возможностей.
В сочетании с абонентским оборудованием при наличии специализированного программного обеспечения, персональные навигаторы предоставляют возможности для мониторинга как стационарных объектов, так и транспорта.
Если говорить о водителях автотранспорта, то для них навигация - это, прежде всего, возможность получения подробных рекомендаций касательно выбора наиболее удачных маршрутов, следование которым позволяет оптимизировать расход топлива и значительно сократить время в пути.
Перспективы развития спутниковых навигационных систем
В настоящее время спутниковая навигация - это система, которая глобально применяется в картографических целях. Основная часть навигационных данных, получаемых по GPS, сегодня контролируется военным ведомством США. Поэтому из года в год все более насущным вопросом для становится развертывание альтернативных систем, где наиболее перспективными выглядят европейский проект «Galileo» и российский «Глонасс».
Основываясь на мнении маркетологов, можно утверждать, что ближайшие десятилетия сулят рынку навигационных услуг существенное развитие. Подобных взглядов придерживаются также разработчики проектов в области спутниковой навигации. Подтверждением этому выступают данные многочисленных исследовательских центров, которые отмечают рост спроса на навигационные услуги среди владельцев портативных цифровых устройств.
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
На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.
Первые предпосылки
Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.
Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.
На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.
В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.
GPS vs. ГЛОНАСС
В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.
В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.
Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.
Принцип работы GPS
Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).
Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.
Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.
Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.
Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.
Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.
Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.
Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.
Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.
Будущее спутниковой навигации
Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.
Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.
Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Московский авиационный институт
(Национальный исследовательский университет)
Реферат по курсу «ОСНИ»
«Глобал ьные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS)»
Выполнила студентка группы: 60-107Б
Рябчикова Мария
Принял преподаватель кафедры 604:
Малышев.В.В
Научный руководитель: Гришин.В.М
Москва 2014 г.
Введение
1. Спутниковые системы радиоместоопределения
1.1 Исторический экскурс
2. Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему
3. Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи
4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС
5. Система Глобального Позиционирования (GPS)
5.1 Применение GPS
5.2 Точность
6. Сравнение GPS и ГЛОНАСС
7. Приёмники GPS
Заключение
Литература
Введение
С давних времён путешественники задавались вопросом: как определить своё местоположение на Земле? Древние мореплаватели ориентировались по звёздам, однако погодные условия не всегда были
на руку исследователям, поэтому сбиться с курса не представляло особого труда. С появлением компаса
задача существенно упростилась. Путешественник уже в меньшей мере зависел от погоды.
Эра радио открыла новые возможности перед человеком. С появлением радиолокационных станций, когда стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отражённому от его поверхности лучу радиолокатора, встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. В 1957 году в СССР группа учёных под руководством В. А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена и возможность решения обратной задачи -- нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу.
В данном реферате рассматривается ГЛОНАСС-Глобальная навигационная система, её состав и принцип действия. А так же история развития системы глобального позиционирования, общий принцип определения координат с помощью GPS.
Сокращения и определения.
Позиционирование - определение своего местоположения в пространстве
GPS - Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System - англ.)
GNSS - Глобальная Навигационная Спутниковая Система (Global Navigation Satellites System - англ.)
NAVSTAR - измерение времени и расстояния от навигационных спутников (NAVigation Satellites providing Time And Range - англ.)
ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система
Эфемерида - спрогнозированные параметры орбиты и их производные
Альманах - набор сведений, о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая загрублённые эфемериды применяемые для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия и содержащих сведения.
SPS (Standard Positioning Service) -- стандартная точность измерений.
PPS (Precise Positioning Service) -- прецизионное определение местоположения.
СРНС - спутниковая радионавигационная система
ЕС КВО - Единая глобальная система координатно-временного обеспечения
КА - космический аппарат
НКА - навигационный КА
UTC - координированное всемирное время
1 . Спутниковые системы радиоместоопределения.
спутниковый навигационный система
Спутниковые системы радиоместоопределения - сравнительно новая, быстро развивающаяся ветвь навигации или отслеживания перемещения подвижных объектов.
1 .1 Исторический экскурс
Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.
Эффект Допплера (по имени австрийского физика К. Допплера) состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний.
Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.
Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958--1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.
Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".
В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5 ... 6 мин.
В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.
Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.
Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину » 70 ... 80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80 ... 100 м.
ЭФЕМЕРИДЫ (в астрономии) - координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.
Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-канадской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.
Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.
В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие усилия по поддержанию группировки. Разработаны самолетная аппаратура АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.
Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системами являются Военно-космические силы РФ.
В рассматриваемый период времени в США также проведены интенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколения атомных ракетных подводных лодок "Полярис" была создана система "Транзит" (аналог СРНС "Цикада"), введенная в строй в 1964 г.
В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго поколения -- ОР5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993.
В данном реферате рассматриваются системы радиоместоопределения (в дальнейшем - местоопределения), задачей которых является контроль за перемещением подвижных объектов в центре сбора информации о местоположении и движении объектов или, как иногда это называют, сопровождение подвижных объектов.
Спутниковые системы местоопределения подвижных объектов базируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу сигналов между подвижным объектом, искусственным спутником Земли (ИСЗ) и наземной станцией, При этом подвижный объект, ИСЗ и наземная станция оснащаются радиотехническим оборудованием в зависимости от используемой конфигурации системы и метода определения координат объекта. Далее будут рассмотрены три наиболее распространенных типа конфигурации систем местоопределения.
2 . Система местоопределения, использующая специализированную спутник овую радионавигационную систему
Спутниковой радионавигационной системой принято называть систему, в которой группировка ИСЗ выполняет роль опорных радионавигационных точек. К числу таких систем относятся NAVSTAR (США) и "Глонасс" (Россия). NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System)
Эти системы относятся к категории пассивных систем с самоопределением. В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, а аппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналов ИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данных навигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются только на самом объекте, т.е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятое название этой аппаратуры -- аппаратура потребителя спутниковой навигации (АПСН).
Аппаратура, устанавливаемая на подвижном объекте -- аппаратура потребителя, осуществляет прием на направленную антенну навигационных сигналов одновременно от нескольких ИСЗ (не менее 4-х), находящихся в зоне видимости. По поступающей от ИСЗ кодовой информации о параметрах излучаемого со спутника сигнала, а также данных об орбитальных параметрах движения ИСЗ (эфемеридная информация) в ЭВМ аппаратуры потребителя по заложенным алгоритмам определяются географические координаты подвижного объекта, скорость и направление движения.
Данные о координатах и скорости подвижного объекта могут представляться потребителю в визуальной форме на табло и запоминаются с регистрацией времени измерения.
Для передачи навигационных параметров подвижного объекта в центр сбора данных на подвижном объекте используется отдельный канал связи подвижной спутниковой службы (ПСС). В данной схеме указан канал спутниковой связи подвижного объекта с наземной станцией центра сбора через геостационарный спутник связи (ГСС). Сеанс измерения навигационных параметров и их передача от подвижного объекта включается по запросу из центра сбора При этом не требуется вмешательства оператора на подвижном объекте.
Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (NAV igation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System) создана для высокоточногонавигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, воздухе, на земле и в воде.
В ее состав входят навигационные спутники, наземный комплекс управления и аппаратура потребителей (пользователей). Применяемый в системе принцип состоит в том, что специальные приемники, установленные у потребителей, измеряют дальности до нескольких спутников и определяют свои координаты по точкам пересечения поверхностей равного удаления. Величина временной задержки определяется сопоставлением кодов сигналов, излучаемых спутником и генерируемых приемным устройством, методом временного сдвига до их совпадения Временной сдвиг определяется по часам приемника. Для нахождения широты, долготы, высоты и исключения ошибок в определении временного сдвига, приемник пользователя должен “видеть” и принимать навигационные сигналы от четырех спутников.
Скорость определяется по доплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала спутника, вызываемому движением пользователя. Доплеровский сдвиг замеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника и генерируемых приемником.
Навигационные сигналы излучаются на двух частотах L-диапазона (L-band, полосы радиочастот от 390 до 1550 МГц); 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2). На L2 излучаются сигналы с военным кодом P(Y) с высокоточной информацией и защищенным от имитационных помех.
P-код представляет из себя последовательность псевдослучайных бистабильных манипуляций фазы несущей частоты с частотой следования,равной 10,23 МГц и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируется им в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На L1 излучаются сигналы и с военным кодом P(Y) и с общедоступным гражданским кодом, который часто называют C/A. Прием сигналов по коду P(Y) обеспечивает работу с высокой точностью измерений. Сравнение времени приходасигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислить дополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу, что значительно повышает точность измерений навигационных данных.
Прием сигналов на частоте L1 с кодом C/A не позволяет определить ошибки, вносимые ионосферой. Структура кода C/A обеспечивает худшие характеристики в режиме SPS (стандартная точность измерений). Так, если в режиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают 22-23 метра, высоты - 27-28 метров и времени - 0,09 мкс, то в SPS они увеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс. Первоначально режим SPS был необходим для грубого определения пользователями своих координат для вхождения в код P(Y). В настоящее время уровень электроники программного обеспечения и методов обработки навигационной информации позволяет осуществлять достаточно быстрый захват P(Y) без кода С/А, а также проводить высокоточные определения по фазе несущей сигнала. Кроме того, полностью отработанный наземныйавтоматический режим дифференциальной коррекции позволяет в ограниченном регионе получать точное определение относительных координат взаимного расположения двух приемников, отслеживающих сигналы одних и тех же ИСЗ GPS. При использовании гражданского C/A- кода определяют координаты автомобиля с точностью от 2 до 5 метров.
28 марта 1994 года система GPS начала функционировать в штатнойконфигурации-24 КА в 6 орбитальных плоскостях. Запуском 17 января 1997 г, который закончился аварией, должен был начаться этап замены ИСЗ серий 2 и 2А новыми аппаратами 2R. Компания LOCKHEED MARTIN изготавливает 21 аппарат этой серии, которые планируется запустить до 2001 г.
Габаритные размеры корпуса ИСЗ - 1.52 м 1.93 м 1.91 м, размах солнечных батарей 19.3 м, площадь 13.4 кв. м. Мощность бортовой системы электропитания к концу срока эксплуатации 1136 Вт. Масса аппарата при запуске 2032 кг, на рабочей орбите 1075 кг. Навигационную аппаратуру поставляет ITT AEROSPASE/COMMUNICATIONS.
Новые спутники имеют трехосную стабилизацию и позволят обеспечить определение времени с точностью до 0.000001 сек, положение объекта с точностью до единиц метров и скорость - примерно до 0.1 м/сек. Срок службы увеличен до 10 лет по сравнению с 7 годами для ИСЗ типа 2А. Стоимость ИСЗ серии 2R составляет 40 млн. долл.
Группировка из 24 ИСЗ ГЛОНАСС выведена на орбиту и позволяет определить координаты с погрешностью не более 50 м для гражданского кода. Создан наземный сегмент управления спутниками, разработанный в СССР и реализованный Россией. В настоящее время в России отсутствует серийный производитель абонентской аппаратуры ГЛОНАСС для гражданского пользования. Структура орбитальной группировки и наблюдаемость ИСЗ системы даны в приложении.
3 . Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи
Широкое развитие спутниковой связи на основе геостационарных спутников, вращающихся на экваториальных орбитах с периодом 24 часа, позволили использовать эти спутники как неподвижные опорные радионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижных объектов.
Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными спутниками связи представлена на Рис. 2. Примером таких систем могут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).
Спутники ГСС-1 и ГСС-2 не являются составной частью системы местоопределения, они выполняют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижного объекта.
При этом ГСС-1 обеспечивает ретрансляцию сигналов от наземной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС-2 только от подвижного объекта к наземной станции.
Координаты подвижного объекта вычисляются на наземной станции по сигналам, полученным от подвижного объекта с двух направлений (от ГСС-1 и ГСС-2). система четырех объектов, в которой координаты трех объектов ГСС-1, ГСС-2 и наземной станции известны, позволяет по методу триангуляции рассчитать координаты четвертого объекта, если измерить дальности от подвижного объекта до ГСС-1 и ГСС-2. Приближенно это можно представить следующим образом. Если измерены дальности от ГСС-1 и ГСС-2 до объекта L1 и L2, то подвижный объект находится на линии пересечения двухсфер, описанных радиусом L1 с центром на ГСС-1 и радиусом L2 с центром на ГСС-2. Пересечение же этой линии с поверхностью Земли даст точку местоположения подвижного объекта.
Значения L1 и L2 определяются вычитанием из известных расстояний от наземной станции до ГСС-1 и ГСС-2 дальностей от наземной станции до подвижного объекта через ГСС-1 и ГСС-2 соответственно. Эти дальности определяются на наземной станции по временной задержке между запросным сигналом от наземной станции и ответными сигналами от подвижного объекта, принимаемыми через ГСС-1 и ГСС-2.
Полученные на наземной станции координаты подвижного объекта могут быть переданы ему по каналу связи через ГСС-1.
Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземнойстанции устанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.
В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземной станции.
Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены или соединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным, спутниковым).
4 . Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС
Система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) предназначена для определения местоположения, скорости движения и точного времени морских, воздушных, сухопутных транспортных средств и других видов потребителей. Она разрабатывалась и внедрялась как система
двойного назначения, в первую очередь, для обеспечения национальной безопасности России, а также для решения гражданских научных и производственных задач.
Система ГЛОНАСС создавалась с начала 70-х годов большой кооперацией научных гражданских и военных организаций. Первые космические аппараты серии ГЛОНАСС («Космос-1413», «Космос-1414», «Космос-1415») были выведены на орбиты 12 октября 1982 года. Запуск осуществляется ракетоносителями «Протон» с космодрома Байконур.
В декабре 1995 года было завершено полное развёртывание орбитальной группировки системы ГЛОНАСС, что позволило создать сплошное глобальное навигационное полевплоть до высот 2000 км.
Система ГЛОНАСС одобрена международными организациями морского флота (ИМО) и гражданской авиации (ИКАО), как один из элементов Глобальной навигационной спутниковой системы наряду с американской системой GPS. В 1994 году система ГЛОНАСС запатентована в США.
Задачи, возложенные на систему ГЛОНАСС:
1. создание (задание) общеземной геодезической и геоцентрической систем координат;
2. распространение единой глобальной высокоточной шкалы времени;
3. создание общеземной сети слежения за современными движениями земной коры;
4. координатно-временное обеспечение o операций в космическом пространстве; o международной службы вращения Земли; o процесса дистанционного зондирования Земли, осуществляемого в интересах
картографирования планеты, мониторинга экологического состояния её поверхности и атмосферы; o работ, реализуемых методом спутниковой альтиметрии с целью слежения за уровнем мирового океана, изучения его физической поверхности, в частности морской топографической поверхности и её отличий от поверхности геоида (квазигеоида), а также изучения закономерностей глобальной циркуляции водных масс.
Основу системы ГЛОНАСС составляют три сегмента:
* космический сегмент;
* сегмент управления;
* сегмент потребителей. 2
Сегменты системы ГЛОНАСС
Космический сегмент включает 24 спутника, излучающих непрерывные радионавигационные сигналы, которые формируют сплошное радионавигационное поле на поверхности Земли и околоземном пространстве.
В системе ГЛОНАСС используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен в среднем 11 часам 45 минутам. Время эксплуатации спутника -- 5 лет; за этот период параметры орбиты спутника не должны отличаться от номинальных значений более чем на 5 %.
Сегмент управления -- наземная система управления, предназначенная для контроля функционирования, непосредственно управления и информационного обеспечения сети спутников.
Сегмент потребителя обеспечивает определение пространственных координат,вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров в результате приёма и обработки радиосигналов, принимаемых от спутников. Из этих трёх частей последняя, а именно аппаратура пользователей, самая многочисленная.
Система ГЛОНАСС является беззапросной, поэтому количество потребителейсистемы не ограничено. Помимо основной функции -- навигационных определений, -- система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку.
История развития системы
Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 года спутниковая группировка была развернута до штатного состава -- 24 спутника.
Вследствие недостаточного финансирования, а также из-за малого срока службы, число работающих спутников сократилось к 2001 году до 6.
В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников -- таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата.
В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС), заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС. Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, некоторые из которых успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. 25 декабря 2008 года количество было доведено до 18 спутников.
На совете главных конструкторов ГЛОНАСС план развёртывания системы был скорректирован с той целью, чтобы на территории России система ГЛОНАСС заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года. Прежние планы предполагали запуск на орбиту двух троек новых спутников «Глонасс-М» в сентябре и в декабре 2008 года; однако в марте 2008 года сроки изготовления спутников и ракет были пересмотрены, чтобы ввести все спутники в эксплуатацию до конца года. Предполагалось, что запуски состоятся раньше на два месяца и система до конца года в России заработает. Планы были реализованы в срок.
В ноябре 2009 года было объявлено, что Украинский научно-исследовательский институт радиотехнических измерений (Харьков) и Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (Москва) создадут совместное предприятие. Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС.
15 декабря 2009 года на встрече премьер-министра России Владимира Путина с главой Роскосмоса Анатолием Перминовым было заявлено, что развёртывание ГЛОНАСС будет окончено к концу 2010 года.
С переходом на спутники «Глонасс-К» точность системы ГЛОНАСС станет сопоставимой с точностью американской навигационной системы NAVSTAR GPS -- единственной зарубежной развернутой навигационной системой.
02 сентября 2010г. группировка спутников пополнена еще 3 спутниками и общее количество спутников в группировке доведено до 26ед.
5 . Система Глобального Позиционирования (GPS)
Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.
Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.
Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты. Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.
5 .1 Применение GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS всё чаще используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.
Геодезия : с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
Картография : GPS используется в гражданской и военной картографии.
Навигация : с применением GPS осуществляется как морская так и дорожная навигация.
С помощью GPS 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 GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
Активный отдых : есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
Геотегинг : информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.
5 .2 Точность
Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 10-12 метров при хорошей видимости спутников (такая же как и у ГЛОНАСС). На территории США и Канады имеются станции WAAS, передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1-2 метров на территории этих стран. при использовании более сложных дифференциальных режимов, точность определения координат можно довести до 10 см. К сожалению точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.
6 . Сравнение GPS и ГЛОНАСС
Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия.Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS -- на средних.
Недостатками ГЛОНАСС являются:
Необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи,так и радиоастрономии;
при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25--30м, а в дифференциальном режиме -- превышают 10 м;
при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;
сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.
Приемники, одновременно работающие с сигналами ИСЗ GPS и ГЛОНАСС, в Украине изготавливаются на ГП «Оризон» (г. Смела).
7 . Приёмники GPS
Приёмники GPS индивидуального пользования:
Наиболее распространенными являются приемники СРНС для индивидуального пользования водителями автомобильного транспорта. Они имеют размер карманного калькулятора с клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются координаты пользователя, курс, расстояние и направление до контрольных точек маршрута, пройденный маршрут движения, карта местности, параметры видимых спутников (рис. 6).
Стоимость такого приемника колеблется от 100 до 1000 долларов.
Для индивидуального пользования разработаны также устройства, которые представляют собой специальные портативные компьютеры с навигационной программой и цифровой картой, текущий фрагмент которой высвечивается на миниатюрном ЖК-дисплее. Примером могут служить приборы «CARIN» -- Car Information and Navigation (Philips), «Travelpilot» (Bosch) и др. Это, по сути, электронные лоцманы, дающие указания водителю синтезированным голосом, заранее сообщая обо всех поворотах, стоянках и прочих особенностях данного маршрута.
Для точного определения своего местонахождения компьютер получает информацию от трех источников: от GPS-приемника, от электронного компаса и от датчиков пройденного пути, установленных на колесах. В считанные секунды с момента включения зажигания (и питания) система определяет свое местонахождение с точностью +/- 100 м, а затем, используя базу данных в CD-ROM, уточняет его до +/- 10 м. Достаточно указать с помощью специальных символов на дисплее конец маршрута, и через 5 секунд компьютер выдаст оптимальную траекторию движения.
Наибольшее распространение эти системы получили в европейских странах, где почти для любой местности составлены электронные цифровые карты. Диапазон цен на это оборудование простирается от 1500 до 7500 DM. Но есть и более доступные по цене навигационные приборы, например «Филипс-Рутфайндер», которые по внешнему виду напоминают электронную записную книжку и стоят около 500 DM. Вводя с клавиатуры исходный пункт и место назначения, пользователь менее чем за минуту получает детальное описание маршрута, длительность пути, время прибытия в конечный пункт и другие параметры. База данных для вычислений хранится на магнитной карточке, которая вставляется в считывающее устройство «Рутфайндера». Этим прибором можно пользоваться даже при пеших прогулках по незнакомому городу (рис. 7).
Заключение
Спутниковые системы местоопределения GPS и ГЛОНАСС разрабатывались как чистонавигационные системы, и эти функции они выполняют блестяще. Но эксплуатация навигационных спутниковых систем, в первую очередь GPS, показала неоценимые возможности систем GPS и ГЛОНАСС в определении высокоточных координат для геодезии, геофизики, космоса, авиации и т. д.
Спутниковые навигационные системы открывают новые возможности для их использования в различных областях: поиске и спасении терпящих бедствие; предупреждении о катастрофах; сборе данных о состоянии окружающей среды; контроле контейнерных перевозок; навигации и управлении околоземными космическими аппаратами; обеспечении работ в геодезии и картографии; прокладке коммуникаций; геологоразведочных работах, разработке месторождений полезных ископаемых,включая участки прибрежных шельфов, и др.
Общее направление модернизации обоих спутниковых систем GPS и Глонасс связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.
Совершенствование системы ГЛОНАСС планируется осуществлять на базе спутников нового поколения “ГЛОНАСС-М”. Этот спутник будет обладать увеличенным ресурсом службы и станет излучать навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских применений.
Литература
1. ГЛОНАСС, Интерфейсный контрольный документ. КНИЦ, 1995.
2. GPS Interface Control Document (ICD-GPS-200), 1991.
3. http://www.bestreferat.ru/referat-86710.html
5. http://gps-club.ru/gps_think/detail.php?ID=20187
6. Богданов В.А., Сорочинский В.А., Якшевич Е.В. "Спутниковые системы морской навигации." - М.: Транспорт, 1987.
7. Баранов Ю.К. "Определение места судна с помощью навигационных спутников." - М.: Транспорт, 1984.
8.Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.
9.Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
10.Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.
11.Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Региональные спутниковые навигационные системы: Бэйдау, Галилео, индийская и квазизенитная. Принцип работы и основные элементы: орбитальная группировка, наземный сегмент и аппаратура потребителя. Создание карт для навигационных спутниковых систем.
курсовая работа , добавлен 09.03.2015
Навигационные измерения в многоканальной НАП. Структура навигационных радиосигналов в системе ГЛОНАСС и GPS. Точность глобальной навигации наземных подвижных объектов. Алгоритмы приема и измерения параметров спутниковых радионавигационных сигналов.
курсовая работа , добавлен 13.12.2010
Принципы функционирования спутниковых навигационных систем. Требования, предъявляемые к СНС: глобальность, доступность, целостность, непрерывность обслуживания. Космический, управленческий, потребительский сегменты. Орбитальная структура NAVSTAR, ГЛОНАСС.
доклад , добавлен 18.04.2013
Состояние внедрения ATN в практику воздушного движения. Спутниковые информационные технологии в системах CNS/ATM. Спутниковые радионавигационные системы. Координаты, время, движение навигационных спутников. Формирование информационного сигнала в GPS.
учебное пособие , добавлен 23.09.2013
Общая информация и история развития системы "Глонасс", хронология совершенствования. Спутниковые навигаторы. Точность и доступность навигации. Разработка и серийное производство бытовых Глонасс-приемников для потребителей. Двухсистемный GPS навигатор.
курсовая работа , добавлен 16.11.2014
Используемые спутниковые навигационные системы. Надёжность, объёмы оборудования локомотивов и сети референцных станций. Принцип работы терминала. Правила и нормы по оборудованию локомотивов средствами радиосвязи и помехоподавляющими устройствами.
курсовая работа , добавлен 25.02.2016
Изучение функционирования систем связи, которые можно разделить на: радиорелейные, тропосферные, спутниковые, волоконно-оптические. Изучение истории возникновения, сфер применения систем связи. Спутниковые ретрансляторы, магистральная спутниковая связь.
реферат , добавлен 09.06.2010
Методы определения пространственной ориентации вектора-базы. Разработка и исследование динамического алгоритма определения угловой ориентации вращающегося объекта на основе систем спутниковой навигации ГЛОНАСС (GPS). Моделирование алгоритма в MathCad.
дипломная работа , добавлен 11.03.2012
Преимущества спутниковой навигационной системы. Развитие радионавигации в США, России. Опробование основной идеи GPS. Сегодняшнее состояние NAVSTAR GPS. Навигационные задачи и методы их решения. Система глобального позиционирования NAVSTAR и ГЛОНАСС.
реферат , добавлен 18.04.2013
Параболические антенны, используемые в радиотехнических системах различного назначения (радиорелейные системы связи, радиолокация, спутниковые системы связи). Схема антенны. График амплитудного распределения по раскрыву и аппроксимирующей функции.
В статье рассмотрен принцип работы, состав и особенности системы спутникового позиционирования GPS (англ. Global Positioning System).
Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range – навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.
Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA – selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.
Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station – MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США – подразделения командования воздушно-космических сил.
Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.
Определение координат и GPS навигация.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным. Определение местоположения GPS-приёмника в пространстве осуществляется на базе алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Основная проблема при вычислении расстояния до спутника системы GPS связанна с синхронизацией часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS-приёмник невозможно. Чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности для определения трехмерных координат на поверхности Земли. GPS-приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. GPS-приёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника (так называемых “альманах”, содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Расстояние до навигационных спутников системы GPS обозначим как А, В и С. Допустим, что известно расстояние А до одного спутника. В данном случае координаты GPS-приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника, то определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (показана синим цветом), которая является пересечением двух сфер. Известное расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены красными точками). Этого уже достаточно для однозначного определения координат GPS-приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.
Недостатками GPS навигации является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение.