Главная
Как работать
Принцип работы спутниковой навигационной системы. «Спутниковые навигационные системы. Принцип работы системы навигации

Принцип работы спутниковой навигационной системы. «Спутниковые навигационные системы. Принцип работы системы навигации

Навигация это определение координатно-временных параметров объектов.

Первым эффективным средством навигации было определение местоположения по видимым небесным телам (солнце, звезды, луна). Другой простейший метод навигации это привязка к местности, т.е. определение местоположения относительно известных ориентиров (водонапорные башни , линии электропередач, шоссейные и железные дороги и др.).

Системы навигации и позиционирования предназначены для постоянного контроля за местонахождением (состоянием) объектов. В настоящее время существует два класса средств навигации и позиционирования: наземные и космические.

К наземным относят стационарные, возимые и переносные системы, комплексы, станции наземной разведки, иные средства навигации и позиционирования. Принцип их действия заключается в контроле радиоэфира посредством специальных антенн, подключаемых к сканирующим радиостанциям, и выделении радиосигналов , излучаемых радиопередатчиками объектов слежения или излучаемых самим комплексом (станцией) и отраженных от объекта слежения либо от специальной метки или кодового бортового датчика (КБД), размещенных на объекте. При использовании такого рода технических средств имеется возможность получить информацию о координатах местонахождения, направлении и скорости перемещения контролируемого объекта. При наличии на объектах слежения специальной метки или КБД устройства идентификации, подключаемые к системам, позволяют не только отмечать местоположение контролируемых объектов на электронной карте, но и соответствующим образом различать их.

Космические системы навигации и позиционирования разделяются на два типа.

Первый тип космических систем навигации и позиционирования отличает применение на мобильных объектах слежения специальных датчиков - приемников спутниковой навигационной системы типа ГЛОНАСС (Россия) или GPS (США). Навигационные приемники подвижных объектов слежения принимают от навигационной системы радиосигнал, который содержит координаты (эфемериды) спутников на орбите и отсчет времени. Процессор навигационного приемника, по данным от спутников (как минимум, от трех) рассчитывает географические широту и долготу его местонахождения (приемника). Эта информация (географические координаты) может быть визуализирована как на самом навигационном приемнике, при наличии устройства вывода информации (дисплея, монитора), так и в пункте слежения, при ее передаче от навигационного приемника подвижного объекта посредством радиосвязи (радиальной, конвенциональной, транкинговой, сотовой, спутниковой).

Второй тип космических систем навигации и позиционирования отличает сканирующий прием (пеленг) на орбите сигналов, поступающих от радиомаяков, установленных на объекте слежения. Спутник, принимающий сигналы от радиомаяков, как правило, сначала накапливает, а затем в определенной точке орбиты передает информацию об объектах слежения в наземный центр обработки данных. Время доставки информации при этом несколько увеличивается.


Спутниковые навигационные системы позволяют:

  • осуществлять непрерывный контроль и слежение за любыми подвижными объектами;
  • отображать на электронной карте диспетчера координаты, маршрут и скорость движения объектов контроля и слежения (с точностью определения координат и высоты над уровнем моря до 100 м, а в дифференциальном режиме - до 2…5 м);
  • оперативно реагировать на внештатные ситуации (изменение ожидаемых параметров на объекте контроля и слежения либо в его маршруте и графике движения, сигнал SOS и т. д.);
  • оптимизировать маршруты и графики движения объектов контроля и слежения.

В настоящее время функции специализированных систем навигации и позиционирования (автоматическое отслеживание текущего месторасположения абонентских аппаратов, терминалов связи с целью обеспечения роуминга и предоставления услуг связи) с относительной точностью могут выполнять спутниковые и сотовые (при наличии на базовых станциях аппаратуры определения местонахождения) системы радиосвязи.

Широкое внедрение систем навигации и позиционирования, повсеместная установка соответствующей аппаратуры в сетях сотовой связи России с целью определения и постоянного контроля местонахождения работающих передатчиков, патрулей, транспорта, иных объектов, представляющих интерес для органов внутренних дел, могло бы значительно расширить возможности правоохранительной деятельности.

Основной принцип определения местоположения с помощью спутниковых навигационных систем - использование спутников в качестве точек отсчета.

Для того, чтобы определить широту и долготу наземного приемника, приемник должен получать сигналы не менее чем от трех спутников и знать их координаты и расстояние от спутников до приемника (рис. 6.8). Координаты измеряются относительно центра земли, который имеет координату (0, 0, 0).

Расстояние от спутника до приемника вычисляется по измеренному времени распространения сигнала. Эти вычисления выполнить несложно, так как известно, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Если известны координаты трех спутников и расстояния от них до приемника, то приемник может вычислить одно из двух возможных мест в пространстве (точки 1 и 2 рис. 6.8). Обычно приемник может определить, какая из этих двух точек действительная, так как одно значение местоположения имеет бессмысленное значение.

Рис. 6.8. Определение местоположения по сигналам от трех спутников

На практике, для исключения ошибки часов генератора, которое влияет на точность измерений разницы во времени, необходимо знать местоположение и расстояние до четвертого спутника (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Определение местоположения по сигналам от четырех спутников

В настоящее время существуют и активно используются две спутниковые навигационные системы - ГЛОНАСС и GPS.

Спутниковые навигационные системы включают в себя три составные части (рис. 6.10):

  • космический сегмент , в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);
  • сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
  • аппаратура пользователей системы.

Рис. 6.10. Состав спутниковых навигационных систем

Космический сегмент системы ГЛОНАСС состоит из 24 навигационных космических аппаратов (НКА), находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,5° и периодом обращения 11 ч 15 мин в трех орбитальных плоскостях (рис. 6.11). В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по широте 45°.

Космический сегмент навигационной системы GPS состоит из 24 основных НКА и 3 резервных. НКА находятся на шести круговых орбитах высотой около 20000 км, наклонением 55°, равномерно разнесенных по долготе через 60°.

Рис. 6.11. Орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

  • эфемеридное и частотно-временное обеспечение;
  • мониторинг радионавигационного поля;
  • радиотелеметрический мониторинг НКА;
  • командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10 -13 с. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10 -14 с. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3-5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение , передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Аппаратура пользователей системы это радиотехнические устройства, предназначенные для приема и обработки радионавигационных сигналов навигационных космических аппаратов для определения пространственных координат, составляющих вектора скорости движения и поправки шкал времени потребителя глобальной навигационной спутниковой системы.

Приемник определяет местоположение потребителя, который отбирает из всех наблюдаемых спутников наиболее благоприятные в части обеспечения точности навигации. По дальностям до выбранных спутников он определяет долготу, широту и высоту потребителя, а также параметры его движения: направление и скорость. Полученные данные отображаются на дисплее в виде цифровых координат, либо отображаться на карте, предварительно скопированной в приемник.

Приемники спутниковых навигационных систем являются пассивными, т.е. они не излучают сигналы и не имеют обратного канала связи. Это позволяет иметь неограниченного количество потребителей навигационных систем связи.

Большое распространение в настоящее время получили системы мониторинга движения объектов на основе спутниковых навигационных систем. Структура такой системы показана на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Структура системы мониторинга

Навигационные приемника, установленные на объектах слежения, принимают сигналы от спутников и вычисляют свои координаты. Но, так как навигационные приемники это пассивные устройства, то в системе необходимо предусмотреть систему передачи вычисленных координат в центр мониторинга. В качестве средств передачи данных о координатах объекта наблюдения могут служить УКВ-радиомодемы, GSM/GPRS/EDGE-модемы (сети 2G), сети третьего поколения, работающие по протоколам UMTS/HSDPA, CDMA-модемы, системы спутниковых систем связи и др.

Центр мониторинга спутниковой навигационно-мониторинговой системы предназначен для наблюдения за объектами, на которых установлено (содержится) навигационно-связное оборудование с целью контроля отдельных его параметров (местоположения, скорости, направления движения) и принятия решения на те или иные действия.

В центре мониторинга содержатся программно-технические средства обработки информации, обеспечивающие:

  • прием, обработку и хранение информации, поступающей от объектов наблюдения;
  • отображение на электронной карте местности информации о местоположении объектов наблюдения.

Навигационно-мониторинговой системой органов внутренних дел решаются следующие задачи:

  • обеспечение автоматизированного контроля персоналом дежурной части за расстановкой экипажей транспортных средств;
  • обеспечение персонала дежурной части информацией о местонахождении транспортных средств для принятия управленческих решений при организации оперативного реагирования на происшествия в зоне ответственности;
  • отображение в графическом формате информации о позиционировании транспортных средств и иной служебной информации на автоматизированное рабочее место оператор;
  • формирование и хранение архива о маршрутах движения экипажей транспортных средств в период несения ими службы;
  • выдача статистической отчетности о выполнении норм обязательного выставления сил и средств в течение дежурной смены, сводных параметрах эффективности использования сил и средств, показателях контроля зон ответственности.

Для обеспечения высокой надежности и достоверности передачи мониторинговой информации от бортового оборудования автотранспорта подразделений МВД России в дежурные чисти в составе системы необходимо использовать резервный канал передачи данных, в качестве которого можно использовать


Яценков В.С. Основы спутниковой навигации
Систематизирована информация о спутниковых навигационных системах GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. Изложена история разработки и создания систем, рассмотрены основные принципы их работы. Приведены характеристики и структура навигационных сигналов, данные о технических возможностях и параметрах действующих систем, даны определения основных понятий и терминов, перечислены наиболее познавательные ресурсы сети Интернет.
Для разработчиков и пользователей навигационных систем различного уровня подготовки, от любителей, эксплуатирующих приемники GPS в быту, до специалистов, использующих навигационные средства в повседневной работе. Может быть полезна студентам радиотехнических специальностей и аспирантам.

Скриншоты: оглавление

Доп. информация : ---

Мои раздачи литературы по ГЕО-наукам (Геодезия, Картография, Землеустройство, ГИС, ДЗЗ и др.)
Геодезия и Системы спутникового позиционирования


  • Инженерная геодезия : учебное пособие. В 2-х частях. / Е. С. Богомолова, М. Я. Брынь, В. А. Коугия и др.; под ред. В. А. Коугия. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2006-2008. - 179 с.

  • Селиханович В.Г., Козлов В.П., Логинова Г.П. Практикум по геодезии : Учебное пособие / Под ред. Селиханович В.Г. 2–е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2006. - 382 с.

  • Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии . Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Картгеоцентр, 2004. - 355 с.: ил.

  • Руководство пользователя по выполнению работ в системе координат 1995 года (СК-95) . ГКИНП (ГНТА)-06-278-04. - М: ЦНИИГАиК, 2004. - 89 с.

  • Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов . ГКИНП (ГНТА)-03-010-02. - М.: ЦНИИГАиК, 2003. - 135 с.

  • Хаметов Т.И. Геодезическое обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации зданий, сооружений : Учеб. пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 200 с.

  • Геодезия : учебное пособие для техникумов / Глинский С.П., Гречанинова Г.И., Данилевич В.М., Гвоздева В.А., Кощеев А.И., Морозов Б.Н. - М.: Картгеоцентр – Геодезиздат, 1995. - 483 с: ил.

  • Лукьянов В.Ф., Новак В.Е. и др. Лабораторный практикум по инженерной геодезии : Учебное пособие для ВУЗов. - М.: «Недра», 1990. - 336 с.

  • Новак В.Е., Лукьянов В.Ф. и др. Курс инженерной геодезии : Учебник для вузов под ред. проф. Новака В.Е. - М.: «Недра», 1989. - 432 с.

  • Лукьянов В.Ф., Новак В.Е., Ладонников В.Г. и др. Учебное пособие по геодезической практике . - М.: «Недра», 1986 - 236 с, с ил.

  • Закатов П.С. Курс высшей геодезии . - Изд. 4, перераб. и доп. - М.: «Недра», 1976. - 511 с.

  • Большаков В.Д., Васютинский И.Ю., Клюшин Е.Б. и др. Методы и приборы высокоточных геодезических измерений в строительстве . / Под ред. Большакова В.Д. - М.: «Недра», 1976, - 335 с.

  • Справочник геодезиста (в двух книгах) / Большаков В.Д., Левчук Г.П., Багратуни Г.В. и др.; под ред. Большакова В.Д., Левчука Г.П. Изд. 2, перераб. и доп. - М: «Недра», 1975. - 1056 с.

  • Голубева 3.С., Калошина О.В, Соколова И.И. Практикум по геодезии . Изд. 3-е, перераб. - М.: «Колос», 1969. - 240 с. с илл. (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. заведений).

  • Красовский Ф.Н. Избранные сочинения : в 4-х томах. - М.: Геодезиздат, 1953-1956. - 2001 с.

  • Красовский Ф.Н. Руководство по высшей геодезии : Курс Геодезического факультета Московского Межевого Института. Часть I. - М.: Издание Геодезического Управления В.С.Н.Х. С.С.С.Р. и Московского Межевого Института, 1926. - 479 с.


Фотограмметрия, Топография и Картография

  • Серапинас Б.Б. Математическая картография : Учебник для вузов / Балис Балио Серапинас. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 336 с.

  • Верещака Т.В. Топографические карты : научные основы содержания. - М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. - 319 с.

  • Математическая основа карт . Глава III из книги: Берлянт А. М. Картография : Учебник для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с.

  • Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов . ГКИНП (ГНТА)–02-036-02. - М.: ЦНИИГАиК, 2002. - 49 с.

  • Южанинов В.С. Картография с основами топографии : Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 302 с.

  • Тикунов В.С. Моделирование в картографии : Учебник. - М.: Изд-во МГУ, 1997. - 405 с.

  • Урмаев М.С. Космическая фотограмметрия : Учебник для вузов. - М.: Недра, 1989. - 279 с: ил.

  • Составление и использование почвенных карт (Под редакцией кандидата сельскохозяйственных наук Кашанского А.Д.). - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987. - 273 с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

  • Лосяков Н.Н., Скворцов П.А., Каменецкий А.В. и др. Топографическое черчение : Учебник для вузов / Под редакцией кандидата технических наук Лосякова Н.Н. - М.: Недра, 1986. - 325 с., ил.

  • Билич Ю. С., Васмут А. С. Проектирование и составление карт : Учебник для вузов. - М.: Недра, 1984. - 364 с.


Землеустройство и Земельный кадастр

  • Варламов А.А., Гальченко С.А. Земельный кадастр (в 6-ти томах). Том 6. Географические и земельные информационные системы . - М.: КолосС, 2006. - 400 с. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

  • Единая система технологической документации Государственного земельного кадастра Российской Федерации. Система классификаторов для целей ведения государственного земельного кадастра . Государственный комитет Российской Федерации по земельной политике. - М.: Госкомзем России, 2000 г. - 182 с.

  • Комплексная система управления качеством проектных и изыскательских работ. Стандарты предприятия по оформлению графических материалов . - М.: Росземпроект, 1983 г. - 86 с. (СТП 71.x-82)

  • Инструкция по дешифрированию аэрофотоснимков и фотопланов в масштабах 1:10000 и 1:25000 для целей землеустройства, государственного учета земель и земельного кадастра . - М.: Минсельхоз СССР, ГУ Землепользования и Землеустройства, ВИСХАГИ, 1978. - 143 с.


Географические информационные системы (ГИС)

  • Попов И.В., Чикинев М.А. Эффективное использование ArcObjects . Методическое руководство. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003 г. - 160 c.

  • Геоинформатика / Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н., Цветков В.Я. - М.: МАКС Пресс, 2001. - 349 с.

  • Берлянт А.М., Кошкарев А.В. и др. Геоинформатика . Толковый словарь основных терминов. - М.: ГИС-Ассоциация, 1999. - 204 с.

  • ДеМерс Майкл Н. Географические Информационные Системы . Основы.: Пер. с англ. - М: Дата+, 1999. - 507 с.

  • Замай С.С., Якубайлик О.Э. Программное обеспечение и технологии геоинформационных систем : Учебное. пособие. - Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 1998. - 110 с.

  • Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть I. Теоретическая геоинформатика . Выпуск 1. - М.: СП ООО Дата+, 1998. - 118 с.


Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)

  • Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса : Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Геолидар, Геоскосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. - 230 с.

  • Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса . Цифровая обработка изображений: Учебное пособие. - М.: Логос, 2001. - 264 с.: ил.

  • Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли . - М.: Издательство А и Б, 1997. - 296 с., ил.

  • Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем . - М.: Наука, 1984. - 320 с.

  • Дейвис Ш.М., Ландгребе Д.А., Филлипс Т.Л. и др. Дистанционное зондирование: количественный подход / Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. - М.: Недра, 1983. - 415 с.

  • Востокова Е.А., Шевченко Л.А., Сущеня В.А. и др. Картографирование по космическим снимкам и охрана окружающей среды / Под ред. Востоковой Е.А, Злобина Л.И. (отв. ред.), Кельнера Ю.Г. - М.: «Недра», 1982. - 251 с.

  • Богомолов Л.А. Дешифрирование аэроснимков . - М.: «Недра», 1976. - 145 с.

  • Миллер В., Миллер К. Аэрофотогеология / Пер. с англ. Воеводы В.М. и Ильина А.В., под ред. Лунгерсгаузена Г.Ф. - М.: МИР, 1964. - 292 с., ил.

  • Богомолов Л.А. Топографическое дешифрирование природного ландшафта на аэроснимках . - М.: Госгеолтехиздат, 1963. - 198 с.


Навигация, Ориентирование и Определение местоположения

  • Найман В.С. GPS–навигаторы для путешественников, автомобилистов, яхтсменов = Лучшие GPS–навигаторы / Под научной редакцией Скрылева В.В. - М.: НТ Пресс, 2008. - 400 с.: ил.

  • Яценков В.С. Основы спутниковой навигации . Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. - М: Горячая линия-Телеком, 2005. - 272 с: ил.

  • Громаков Ю.А., Северин А.В., Шевцов В.А. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS : Учеб. пособие. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 144 с: ил.

  • Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации . - М.: Эко-Трендз, 2000. - 270 с.

  • Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с. : ил.

  • Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич И.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. Шебшаевича В.С. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с,: ил.

  • Меньчуков А.Е. В мире ориентиров . Изд. 3, доп. - М.: «Мысль», 1966. - 284 с.

- «Говоря СПАСИБО, вы продлеваете жизнь торренту» (Dark_Ambient )

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.

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.

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

Рис.1 Основная функция спутниковой навигации

В 2007 году Система глобального позиционирования (GPS),

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

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

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

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

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

3. Она должна иметь возможность использования гражданским населением.

Основы спутниковой навигации

Введение

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

доступности для новых приложений2 .

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

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

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

Рис. 2 Запуск GPS спутника

1 Спутниковая навигация – это просто

Если Вам нравится. . .

o понимать, как определяется расстояние до молнии

o понимать, как работают основные функции спутниковой навигации

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

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

1.1 Принцип измерения транзитного времени сигнала

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

Глаз опреде

Транзитное время

ляет стартовоевремя

Рис.3 Определение расстояния по вспышке молнии

Расстояние = транзитное время * скорость звука

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

Основы спутниковой навигации

1.1.1 Основные принципы спутниковой навигации

Все спутниковые навигационные системы используют общие принципы определения координат:

Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал.

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

Распространение

Вычисление позиции

Передатчик сигнала с помощью погрешности по времени 1 мкс

Расстояние

Рис.4 В простейшем случае Расстояние определяется временем распространения

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

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

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

Расстояние А

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

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

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

в трехмерном пространстве нам необходимо четыре передатчика сигналов времени.

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

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

Основы спутниковой навигации

Спутниковая навигация это просто

1.1.2 Время прохождения сигнала

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

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

Рис.7 Определение транзитного времени сигнала

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

Основы спутниковой навигации

Спутниковая навигация это просто

1.1.3 Определение позиции на карте

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

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

Рис.8 Позиция приемника в точке пересечения двух кругов

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

Рис. 9 Позиция определяется как точка пересечения трех сфер

Основы спутниковой навигации

Спутниковая навигация это просто

1.1.4 Появление и коррекция ошибки времени

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

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

Долгота(X)

Широта(Y)

Высота(Z)

Ошибка времени(∆t)

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

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

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

Основы спутниковой навигации

Спутниковая навигация это просто

2 GNSS Технология: Пример GPS

Если Вам нравится. . .

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

o знать, как сделан GPS спутник

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

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

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

тогда эта глава для Вас!

2.1 Описание системы

следующих

разделах

рассмотрим

различные

сегменты GNSS технологии

Несущая L1

Тактовые импульсы -эфимерис -альманах -состояние -дата, время

Сегмент пользователя

Рис. 11 Три GNSS сегмента

Принятый эфимерис -вычисленный альманах -состояние спутника -коррекции времени

От наземной станции

Управляющий сегмент

Как видно из рисунка 11 есть однонаправленная связь между пространственным сегментом и сегментом пользователя. Управляющие станции на земле имеют двунаправленную связь со спутниками.

2.2 Пространственный сегмент

2.2.1 Перемещение спутника

Пространственный сегмент к настоящему времени состоит из 32 действующих спутников (Рис. 12) с орбитами в 6 различных плоскостях (от четырех до пяти спутников в плоскости). Они находятся на высоте 20,180 км над Земной поверхностью и наклонены на 550 к экватору. Каждый спутник совершает круг по орбите за 12 часов. Из-за вращения Земли, спутник будет в своем начальном положении (Рис. 13) после приблизительно 24 часов (23 часа 56 минут, чтобы быть точным).

Ключевые слова: расстояние до объекта; синхронизация часов; погрешность часов спутника и приемника; эфемериды.

В результате изучения материала второй главы студент должен:

знать

  • принципы навигационных определений в ГНСС;
  • решение задачи определения местоположения объекта;
  • факторы, влияющие на погрешность навигационных измерений;

уметь

  • обобщать и систематизировать научно-техническую информацию, касающуюся разработки спутниковых навигационных технологий место-определения объекта;
  • анализировать и интерпретировать результаты научных исследований, касающихся разработки бортовых телематических устройств, включающих модули спутниковой навигации ГЛОНАСС, GPS;

владеть

  • методами использования решений навигационной задачи для мониторинга движения автотранспортных средств;
  • навыками поиска и анализа научно-технической информации по вопросам разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС, GPS для автомобильного транспорта.

ПРИНЦИПЫ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ

Основной принцип, лежащий в основе системы спутниковой навигации, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если известны местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в трехмерном случае - сферу), на которой должна быть расположена точка местоположения приемника.

Принцип определения координат объекта в системе ГНСС основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии как минимум до трех спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых - спутники, а радиус - измеренное расстояние до каждого из спутников (рис. 2.1). Идея, лежащая в основе измерения расстояния до спут-

Спутник 1

Спутник 2

Местоположение объекта

Спутник 3

Рис. 2.1. Простейший случай спутниковой навигации

ника, основана на известном равенстве: расстояние есть скорость, умноженная на время движения .

Представим, что, находясь в автомобиле, мы хотим определить свое местонахождение на длинной и прямой улице. Предположим, в конце улицы есть радиопередатчик, посылающий тактовый импульс каждую секунду. В автомобиле есть часы, которые синхронизированы с часами радиопередатчика. Измеряя время прохождения импульса от передатчика до машины, мы можем определить позицию автомобиля на улице (рис. 2.2).

Переданный сигнал

Принятый сигнал


Расстояние й

Рис. 2.2. Определение расстояние по времени и скорости

распространения сигнала

Поскольку синхронизация часов в машине с передатчиком неидеальна, существует разница между вычисленным расстоянием и фактическим. В навигации это некорректное значение называется псевдодальность. Если ошибка по времени составляет одну микросекунду (1 мкс), то с учетом скорости распространения радиоволн погрешность составит 300 м.

Можно было бы решить данную проблему, оснастив автомобиль атомными часами, но это значительно повлияет на бюджет. Другим решением будет использование второго синхронизированного передатчика, расстояние до которого известно. Измеряя оба времени распространения, можно точно определить расстояние, несмотря на неточные бортовые часы (рис. 2.3). Чтобы точно вычислить позицию и время вдоль линии (принимаем, что линия продолжается только в одном направлении), нам необходимо использовать два передатчика сигналов времени. Покажем, что расстояние /) в этом случае вычисляется по формуле

  • (Ах! - Лт 2)с + Л
  • (2.1)

где Ат, Дт 2 - измеренное автомобильными бортовыми часами время прихода сигнала соответственно от первого и второго передатчиков; с - скорость света; А - расстояние между передатчиками.

По первому и второму измерениям псевдодальности Д и Д определятся по выражениям

Д = О + 5с; (2.2)

Д=(Л-Д + 5с, (2.3)

где 5 - погрешность часов автомобиля в секундах.

Очевидно, что если часы автомобиля спешат, то знак 5 - положительный, если отстают, то знак 5 - отрицательный.

Заменив в равенствах (2.2), (2.3) псевдодальности Д и Д их выражениями через скорость света и измеренное время прихода сигнала (соответственно Д = С Дт, Г> 2 = с - Дт 2) и выполнив очевидные преобразования, приходим к выражению (2.1).

Из приведенных рассуждений мы можем сделать следующий вывод: при несинхронизированных бортовых часах, используемых при расчете позиции, необходимо использовать число передатчиков сигналов времени, превышающее число неизвестных измерений на единицу.


Рис. 2.3.

несмотря на ошибки по времени

Навигационный приемник измеряет время, за которое радиосигнал доходит от спутника до объекта, а затем по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с. Если точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда он получен, несложно определить время распространения радиосигнала. Умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получаем расстояние до спутника.

Наземные часы должны быть весьма точны, так как свет распространяется чрезвычайно быстро. Например, если бы спутник GPS находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 65 мс для прохождения радиосигнала от спутника до наземного приемника (рис. 2.4).

Глобальная навигационная спутниковая система строится с применением способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты. Относительная нестабильность стандарта частоты бортового синхронизирующего устройства навигационного спутника ГЛОНАСС (1-5) 10 -13 с за сутки .

Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики ГНСС обратились к следующей идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время. Иными словами, приемник генерирует свой

Показания часов спутника Показания часов спутника

и приемника 0 мс и приемника 65 мс


Время передачи сигнала (Start time)

Время приема сигнала (Stop time)

1_ Сигнал

Рис. 2.4. Определение транзитного времени сигнала

внутренним код в то же самое время, что и передатчик спутника, т.е. в идеале он должен точно дублировать код спутника.

Далее остается принять код от спутника и посмотреть, как давно приемник сгенерировал тот же код. Для этого приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью.

Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Система ГНСС использует способ определения местоположения по дальности до ориентиров-спутников, которые находятся с помощью псевдослучайного кода. Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными «псевдослучайными последовательностями», которые повторяются каждую миллисекунду.

Как работать

Вам также может понравиться