Спутник системы GPS на орбите
Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников до потребителя. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на разность моментов приема сигнала потребителя и момента его синхронного излучения от спутников»:
Здесь: - местоположение -го спутника, - момент времени приема сигнала от -го спутника по часам потребителя, - неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя, - скорость света, - неизвестное трехмерное положение потребителя.
История
Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли , американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. В 1973 году была инициирована программа DNSS, позже переименованная в Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г., а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит из-за дезориентации экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом. [уточнить ]
Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности отменил своим указом президент США Билл Клинтон.
| Блок | Период запусков |
Запуски спутников | Работают сейчас |
|||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Запу- щено |
Не успешно |
Гото- вится |
Заплани- ровано |
|||
| I | 1978-1985 | 10 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| II | 1989-1990 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| IIA | 1990-1997 | 19 | 0 | 0 | 0 | 11 |
| IIR | 1997-2004 | 12 | 1 | 0 | 0 | 12 |
| IIR-M | 2005-2009 | 8 | 0 | 0 | 0 | 7 |
| IIF | 2010-2011 | 2 | 0 | 10 | 0 | 2 |
| IIIA | 2014-? | 0 | 0 | 0 | 12 | 0 |
| Всего | 59 | 2 | 10 | 12 | 31 | |
| (Последнее обновление данных: 9 Окт 2011) |
||||||
Техническая реализация
Космические спутники
Незапущенный спутник, экспонирующийся в музее. Вид со стороны антенн.
Орбиты спутников
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat- число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.
Радиочастотные характеристики
Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника .
Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код - модуляция BPSK (1)), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа - SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналами Galileo L1.
Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Еще одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.
C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.
Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A-код и P-код. C/A (Clear access) - общедоступный код - представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS-приемники. P (Protected/precise)-код используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2*1014 циклов. Сигналы, модулированные P-кодом, передаются на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. C/A-код передается лишь на частоте L1. Несущая, помимо PRN-кодов модулируется также навигационным сообщением.
| Тип спутника | GPS-II | GPS-IIA | GPS-IIR | GPS-IIRM | GPS-IIF |
| Масса, кг | 885 | 1500 | 2000 | 2000 | 2170 |
| Срок жизни | 7.5 | 7.5 | 10 | 10 | 15 |
| Бортовое время | Cs | Cs | Rb | Rb | Rb+Cs |
| Межспутниковая связь |
- | + | + | + | + |
| Автономная работа, дней |
14 | 180 | 180 | 180 | >60 |
| Антирадиационная защита |
- | - | + | + | + |
| Антенна | - | - | Улучшенная | Улучшенная | Улучшенная |
| Возможность настройки на орбите и мощность бортового передатчика |
+ | + | ++ | +++ | ++++ |
| Навигационный сигнал |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P L2:P |
L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M |
L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C |
24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).
Наземные станции контроля космического сегмента
Основная статья: наземный сегмент спутниковой системы навигации
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever, штат Колорадо , США и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректировочные данные в виде радиосигналов с частотой 2000-4000 МГц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.
Применение GPS
Приёмник сигнала GPS
Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко 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.
Высказывались предложения об интеграции систем Iridium и GPS.
Точность
Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены ниже :
| Источник погрешности | Среднеквадратичное значение погрешности, м |
|---|---|
| Нестабильность работы генератора | 6,5 |
| Задержка в бортовой аппаратуре | 1,0 |
| Неопределённость пространственного положения спутника | 2,0 |
| Другие погрешности космического сегмента | 1,0 |
| Неточность эфемерид | 8,2 |
| Другие погрешности наземного сегмента | 1,8 |
| Ионосферная задержка | 4,5 |
| Тропосферная задержка | 3,9 |
| Шумовая ошибка приёмника | 2,9 |
| Многолучёвость | 2,4 |
| Другие ошибки сегмента пользователя | 1,0 |
| Суммарная погрешность | 13,1 |
Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.
Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 6-8 метров при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции . На территории США, Канады, Японии, КНР, Европейского Союза и Индии имеются станции WAAS , EGNOS , MSAS и т. д. 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. Точность любой СНС сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом.
В ближайшее время все аппараты нынешнего стандарта GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.
Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60-90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для владельцев GPS-навигаторов.
На октябрь 2011 года на орбиту выведены первые два спутника из новой версии: GPS IIF SV-1 запущен в 2010 году и GPS IIF-2 запущен 16 июля 2011 года.
Всего первоначальный контракт предусматривал запуск 33 спутников GPS нового поколения, но потом из-за технических проблем начало запуска перенесли с 2006 года на 2010 год, а количество спутников уменьшили с 33 до 12. Все они будут выведены на орбиту в ближайшее время.
Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря использованию более точных атомных часов . Поскольку спутники перемещаются со скоростью около 14000 км/ч (3.874км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для триангуляции.
Недостатки
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника , или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь , либо преднамеренно создаваемые «глушилками» (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками).
Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом .
Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США.
Теперь [когда? ] Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, которые разработаны и произведены компаниями Lockheed Martin и Boeing. Утверждается, что они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра.
Реализация данной программы займёт некоторое [какое? ] время. В Министерстве обороны США утверждают, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. Количество спутников изменено не будет, их по-прежнему будет 30: 24 работающих и 6 резервных.
Хронология
| 1973 | Решение о разработке спутниковой навигационной системы |
| 1974-1979 | Испытание системы |
| 1977 | Приём сигнала от наземной станции, симулирующей спутник системы |
| 1978-1985 | Запуск одиннадцати спутников первой группы (Block I) |
| 1979 | Сокращение финансирования программы. Решение о запуске 18 спутников вместо запланированных 24. |
| 1980 | В связи с решением свернуть программу использования спутников Vela системы отслеживания ядерных взрывов, эти функции было решено возложить на спутники GPS. Старт первых спутников, оснащённых сенсорами регистрации ядерных взрывов. |
| 1980-1982 | Дальнейшее сокращение финансирования программы |
| 1983 | После гибели самолёта компании Korean Airline , сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам. |
| 1986 | Гибель космического челнока Space Shuttle «Challenger» приостановила развитие программы, так как последний планировался для вывода на орбиту второй группы спутников. В результате основным транспортным средством была выбрана ракета-носитель «Дельта» |
| 1988 | Решение о развёртывании орбитальной группировки в 24 спутника. 18 спутников не в состоянии обеспечить бесперебойного функционирования системы. |
| 1989 | Активация спутников второй группы |
| 1990-1991 | Временное отключение SA (англ. selective availability - искусственно создаваемой для неавторизированных пользователей округления определения местоположения до 100 метров) в связи с войной в Персидском заливе и нехваткой военных моделей приёмников. Включение SA 01 Июня 1991 года. |
| 08.12.1993 | Сообщение о первичной готовности системы (англ. Initial Operational Capability ). В этом же году принято окончательное решение о предоставлении сигнала для бесплатного пользования гражданским службам и частным лицам |
| 1994 | Спутниковая группировка укомплектована |
| 17.07.1995 | Полная готовность системы (англ. Full Operational Capability ) |
| 01.05.2000 | Отключение SA для гражданских пользователей, таким образом точность определения выросла со 100 до 20 метров |
| 26.06.2004 | Подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS 1 |
| Декабрь 2006 | Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.² |
См. также
- Transit (первая спутниковая навигационная система, 1960-е - 1996)
- Galileo (европейская навигационная система)
- ГЛОНАСС (российская навигационная система)
Примечания
Литература
- Александров И. Космическая радионавигационная система НАВСТАР (рус.) // Зарубежное военное обозрение . - М ., 1995. - № 5. - С. 52-63. - ISSN 0134-921X .
- Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света . - М ., 2006. - № 12 (2795). - С. 204-280.
- Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В. С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М .: Радио и связь, 1993. - 408 с. - ISBN 5-256-00174-4
Ссылки
Официальные документы и спецификации- Официальный сайт правительства США и системы GPS со статусом спутниковой группировки (англ.)
- Глобальные Навигационные Спутниковые Системы (GNSS). Как это работает? , gps-club.ru
- Галилео и GPS (англ.)
- Совместное заявление по обеспечению взаимодополняемости и совместимости ГЛОНАСС и GPS ((недоступная ссылка) , копия)
| Системы навигации | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Спутниковые |
| ||||||
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
GPS
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х - начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
После отмены ограничений на точность определения координат ошибка снизилась со 100 до 20 м (в последних поколениях GPS-приёмников при идеальных условиях ошибка не превышает 2 м). Такие условия позволили использовать систему для широкого круга общих и специальных задач:
- Определение точного местоположения
- Навигация, движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения
- Синхронизация времени
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat - это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS - ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) - была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео - совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита - MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Поддержка технологи глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в электронных устройствах реализуется на базе навигационных приемников, которые могут быть выполнены в различных вариантах:- Smart Antenna - модуль, состоящий из керамической антенны и навигационного приемника. Преимущества: компактность, не требует согласования, удешевляет разработку за счет сокращения сроков.
- MCM (Multi Chip Module) - чип, включающий все компоненты навигационного приемника.
- OEM - экранированная плата, включающая ВЧ интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Это наиболее популярное решение на данный момент.
Ключевые параметры навигационных приемников
Прежде чем навигационный приемник сможет выдавать информацию о местоположении, он должен обладать тремя наборами данных:- Сигналы от спутников
- Альманах - информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
- Эфемериды - точные параметров орбит и часов каждого спутника
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183 , но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 - это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики , которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов . На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS . Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM . На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1-3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается бо льшая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS - Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность . Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) - секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути . На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице
Как известно, большинству из нас, Земля представляется в форме, близкой к шару, но всем известно, что она не шар. Отличие, весьма существенное для точной навигации и системы координат. Сложная поверхность Земли получила еще в 19 веке название геоида. Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и виртуально продолжается под материками.
Системы координат для GPS-навигаторов, географические координаты.
Земля, ее форма и координаты.
Для практического применения широкое распространение получили две модели формы Земли: сферическая с упрощенным представлением ее в виде шара с радиусом 6371,1 километра и сфероидальная в виде эллипса вращения (эллипсоида). Под ним понимают геометрическую фигуру, которая образуется при вращении эллипса вокруг своей малой оси. Размеры эллипсоида вращения, его ориентация и расположение относительно центра масс Земли могут варьироваться для достижения наибольшей точности приближения к реальной земной поверхности. Следует уяснить, что каждой используемой модели соответствует и своя система координат.
Когда мы говорим о какой-либо системе координат, то подразумеваем и соответствующую модель эллипсоида. Но и это еще не все различия, которые нужно знать пользователю системы GPS. Если параметры эллипсоида подбираются для Земли в целом, то такой эллипсоид получил название общего земного эллипсоида (ОЗЭ). С целью же описания локальной (частичной) области поверхности Земли с большей точностью может использоваться эллипсоид с другими параметрами.
Такой эллипсоид, законодательно принятый для измерений и обработки геодезических данных, называется референц-эллипсоидом (РЭ), а образуемая им система координат — референцной. В референц-эллипсоиде его малая ось не совпадает с осью вращения Земли, но должна быть параллельна ей. В ОЗЭ малая полуось всегда совпадает с осью вращения, а центр эллипсоида совпадает с центром масс Земли.
На территории СНГ используются две общеземные системы координат, ПЗ-90 и Международная WGS-84 (Wordl Geodetic System 1984). Цифры в обозначении системы указывают на год ее создания. Обе системы близки друг к другу. ПЗ-90 используется на территории СНГ для геодезического обеспечения орбитальных полетов, a WGS-84 применяется во всем мире для обработки спутниковых измерений GPS. К российским референцным системам относятся системы СК-42 (Пулково) и СК-95. Обе системы используют эллипсоид Красовского (введен с 1946 г.) и применяются при выполнении геодезических и картографических работ.
Системы координат для GPS-навигаторов.
При навигации и использовании GPS-навигаторов очень важно понимать, что отображение GPS-позиций на картах с разными системами координат без их пересчета приведет к большим ошибкам. Поэтому используются картографические программы, позволяющие переводить данные, например, из системы WGS-84 в местные системы координат. К счастью, у пользователей портативных GPS-навигаторов этой проблемы вообще нет. При использовании совместно с GPS-навигатором бумажной карты с координатной сеткой необходимо проверить совпадение систем координат карты и навигатора.
При необходимости можно произвести настройку системы координат навигатора, установив в нем параметры, называемые датумом, соответствующие загруженной карте, или выбрав пользовательский датум. Преобразование координат навигатор выполнит тогда автоматически. Датум есть геодезическая система координат, однозначно определяемая размерами своего эллипсоида и его положением по отношению к центру Земли. Число разных датумов, а проще - систем координат, используемых в мировой картографии, более сотни. Разные датумы были предложены с целью получения наилучшего приближения определяемой ими модели к реальной поверхности Земли данного региона.
К примеру, локальный Североамериканский датум NAD-27 разработан для наилучшего представления Северной Америки, а локальный Европейский датум ED-50 создан для использования в Европе. Локальные датумы нельзя применять вне области, для которой они были разработаны. Для удобства пользователя GPS-навигаторов в их память заложены параметры многих датумов, что дает возможность использовать в них электронные карты из разных источников без каких-либо сложностей.
На многих бумажных указана поправка для перехода с системы координат карты к международной WGS-84, в которой работает GPS. Например, чтобы точку, находящуюся в районе Балтийского моря и Ладоги, с координатами по WGS-84 системе нанести на российскую карту, построенную в системе Пулковской обсерватории 1942 года, необходимо сместить это точку на 0,14 минуты к востоку. На широте Петербурга Эта разница соответствует примерно 130 метрам.
Географические координаты.
Для определения положения любого объекта на поверхности Земли используется система из географических координат и двух особых точек — полюсов Северного и Южного. Полюса являются, как известно, точками пересечения оси вращения Земли с поверхностью эллипсоида. Наиболее наглядно географические координаты представляются в сферической модели Земли. В ней географические координаты, широта и долгота, определяются с помощью окружностей, образующихся при сечении шаровидной модели Земли плоскостями: для широты - в горизонтальном направлении, а для долготы - в вертикальном.
Окружность EQ, образуемая на поверхности шара горизонтальной секущей плоскостью, перпендикулярной земной оси и проходящей через центр шара, называется экватором. Он делит земной шар на северное и южное полушария. Окружности малых кругов, плоскости которых параллельны плоскости экватора, образуют параллели (РР). Окружности, образуемые плоскостями, проходящими через земную ось, получили название меридианов (географических или истинных). Среди всех меридианов надо выделить начальный (нулевой) PnGPs, называемый гринвичским, поскольку он проходит через астрономическую обсерваторию в Гринвиче (Англия). Этот меридиан делит земной шар на восточное и западное полушария.
Географическая широта.
Географической широтой некоторой точки на поверхности земного сфероида называется угол между плоскостью экватора и нормалью (отвесной линией) к этой поверхности. Для модели Земли в виде шара нормаль совпадает с земным радиусом ОМ, проведенным через данную точку М в центр шара. Широта измеряется дугой меридиана (угол МОЛ) от экватора до параллели данной точки. Широта принимает значения в диапазоне от 0 до 90 градусов. Если точка находится в северном полушарии, то широте приписывают наименование N (северное), если в южном - S.
Географическая долгота.
Географической долготой какой-либо точки называется двугранный угол между плоскостями начального (нулевого) меридиана и меридиана, проходящего через заданную точку. Так, долгота точки М определяется углом GOL. Долгота измеряется меньшей дугой экватора GL, а, к примеру, не дугой GEQL. Счет долгот ведут к востоку или западу от начального меридиана, от 0 до 180 градусов.
Если точка находится в восточном полушарии, то долготе приписывает наименование Е (восточная), если в западном - W (западная). Иногда, для обозначения полушарий точки, в координатах используются знаки +/-. Причем знак минус приписывают координатам, находящимся в южном и западном полушариях. Для географических координат в GPS-навигаторах используются следующие форматы:
— ddd.mm.ss.s — градусы, минуты, секунды,
— ddd.dddd — градусы, десятичные доли градусов,
— ddd.mm.mmm — градусы, минуты, десятичные доли минут.
По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.
GPS - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.
Краткая характеристика GPS
Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США — GPS, называется также NAVSTAR. Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) , наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов Плоскости орбит расположены через 60° и наклонены к экватору под углом 55°. На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников — это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земля не менее 4-х НИСЗ.
Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.
Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью . Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме — ЗD (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х НИСЗ, а при двухмерной навигации — не менее 3-х НИСЗ. В GPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально скоростной метод нахождения скорости объекта.
Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана. Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1 = 1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения — непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А-код (course and acquisition), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2.
В GPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей точные определения (РРS Precise positioning Service) и стандаршые данные (SPS Standart Positioning Service) PPS основывается на точном коде, а SPS — на общедоступном. Уровень обслуживания РРS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS — массовому гражданскому потребителю.Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора. В зависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя.Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются Р и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически непрерывные определения с точностью: местоположения объекта — 5+7 м, скорости — 0.05+0.15 м/с, времени — 5+15 нс
Основное применение навигационных спутниковой системы GPS:
- 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
- Спутниковый мониторинг транспорта: 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.
- 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.
Определение координат потребителя
Местоопределение по расстояниям до спутников
Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников. Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения. Трех измерений достаточно, если уметь исключать неправдоподобные решения какими-то другими доступными способами. Еще одно измерение требуется по техническим причинам.
Измерение расстояния до спутника
Расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас. Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени. Определим, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.
Обеспечение совершенной временной привязки
Точная временная привязка — ключ к измерению расстояний до спутников. Спутники точны по времени, поскольку на борту у них — атомные часы. Часы приемника могут и не быть совершенными, так как их уход можно исключить при помощи тригонометрических вычислений. Для получения этой возможности необходимо произвести измерение расстояния до четвертого спутника. Необходимость в проведении четырех измерений определяет устройство приемника.
Определение положения спутника в космическом пространстве.
Для вычисления своих координат нам необходимо знать как расстояния до спутников, так и местонахождение каждого в космическом пространстве. Спутники GPS движутся настолько высоко, что их орбиты очень стабильны и их можно прогнозировать с большой точностью. Станции слежения постоянно измеряют незначительные изменения в орбитах, и данные об этих изменениях передаются со спутников.
Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.
Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Если сравнить время распространения двух разночастотных компонентов сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.
Многолучевость.
Еще один тип погрешностей — это ошибки «многолучевости». Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.
Геометрический фактор уменьшения точности.
Хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.
Результирующая точность GPS.
Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability»- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.
Вывод:
Точность измерений с помощью GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов. «Бытовые» GPS-приборы, для «гражданских» пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды). Измерители высокой точности «геодезического класса» – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование — может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.
Для повышения точности навигации рекомендуется использовать GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают «двойную надёжность и точность» (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины — лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений
Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и «далеко» – у линии горизонта (всё это называется «плохая геометрия») и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) — после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек — возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.
Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении «вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения» по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) — увеличивается скорость определения координат и расположения на карте
WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на GPS-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.
Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника GPS. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт). Быстрый, «горячий» (длительностью в первые секунды) или «тёплый старт» (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства — возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее — до нескольких секунд). Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат — нужны, как минимум, четыре сп-ка. Необходимость создания собственной, отечественной системы навигации связана с тем, что GPS – американская, потенциальных противников, которые могут в любой момент Ч, в своих военных и геополитических интересах, селективно отключить, «глушить», модифицировать её в каком-либо регионе или увеличить искусственную, систематическую ошибку в координатах (для иностранных потребителей этой услуги), что и в мирное время всегда присутствует.
