Спутниковые системы навигации - ABCD42.RU

Спутниковые системы навигации

Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Содержание

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

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

Принцип работы

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

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

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

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

Применение систем навигации

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

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

Современное состояние

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

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

ГЛОНАСС

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

Бэйдоу

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

Galileo

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

IRNSS

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

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

Основные характеристики систем навигационных спутников

Технические детали работы систем

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

    Обе системы имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (

100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (

10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для GPS и России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе GPS это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).

  • Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах — 24. Группировка GPS полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В 2011 году система ГЛОНАСС полностью восстановлена, количество спутников в группировке достигла 24 .В системе появился орбитальный резерв.
  • Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.
  • В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для GPS L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, то есть каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.
  • Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) — это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.
  • Для подавления сигналов спутниковых навигационных систем используются передатчики активных помех. Впервые широкой общественности передатчики разработки российской компании «Авиаконверсия» были представлены в 1997 году на авиасалоне МАКС-1997. [1]
  • Дифференциальное измерение

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

    В настоящее время (2009 год) существуют бесплатные американская система WAAS, европейская система EGNOS, японская система MSAS основанные на нескольких передающих коррекции геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

    Запланировано создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ.

    См. также

    Спутниковая система навигации на Викискладе ?
    • Спутниковый мониторинг транспорта
    • Время спутниковых навигационных систем
    • Геокэшинг
    • CDMA
    • GDOP
    • RINEX
    • Список новых перспективных технологий
    • Псевдоспутник

    Примечания

    1. Антидот против точных бомб. Рецепт от российской фирмы «Авиаконверсия». Журнал Defense Express #5, 2007.

    Ссылки

    Международный форум по спутниковой навигации Мероприятие, посвящённое вопросам спутниковой навигации

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

    Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции

    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.

    Читайте также  Производство серной кислоты

    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.

    Навигационный модуль подключается к микроконтроллеру или системе на кристалле по интерфейсу UART/RS-232 или USB.

    Ключевые параметры навигационных приемников

    Прежде чем навигационный приемник сможет выдавать информацию о местоположении, он должен обладать тремя наборами данных:

    1. Сигналы от спутников
    2. Альманах — информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
    3. Эфемериды — точные параметров орбит и часов каждого спутника

    Характеристика TTFF показывает сколько времени требуется приемнику на поиск сигналов от спутников и определение местоположения. Если приёмник новый, или был выключен на протяжении длительного периода, или был перевезен на большое расстояние с момента последнего включения, время до получения набора необходимых данных и определения места увеличивается.

    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 большая 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 разработок компании Promwad.

    GNSS: все, что нужно знать

    Введение

    Прежде чем мы посмотрим на историю глобальной навигационной спутниковой системы (англ. Global Navigation Satellite System, GNSS, ГНСС; далее как GNSS) или кинематики в реальном времени (RTK или Real Time Kinematic), мы должны рассмотреть исходную технологию, которая положила начало всему этому, известную как спутниковая навигация, ставшая в последствии одной из самых используемых и важных технологий во всем мире. Спутниковая навигационная система (A.K.A. satnav) — это своего рода технология, которая используется для определения местоположения автономных тел, находящихся на поверхности Земли. Для выполнения этой задачи технология спутниковой навигации использует несколько спутников (размещенных в космическом пространстве) для передачи сигнала через канал передатчика и приёмника. Эти сигналы могут использоваться для маркировки местоположения, отслеживания местоположения и многих других целей.

    Это базовый обзор системы спутниковой навигации в том виде, в каком мы её знаем, но сегодня мы делаем еще один шаг вперед, чтобы обсудить усовершенствованную систему спутниковой навигации, известную как GNSS. Любая спутниковая навигационная система с возможностью глобального охвата называется глобальной навигационной спутниковой системой или GNSS. Но это ещё не всё. У GNSS есть секретное оружие …

    Одна из технологий, на которую часто полагается GNSS, — это кинематика в реальном времени или RTK. Кинематика в реальном времени — это метод глобального спутникового позиционирования, который помогает GNSS повысить достоверность и точность целевых данных. Что касается позиционирования, определения местоположения и максимальной точности, сочетание GNSS с RTK повышает уровень точности, не похожий ни на что другое. RTK усиливает фазовый сигнал, которым обмениваются передатчик и приёмник, обеспечивая, тем самым, точность сантиметрового уровня и корректировку сигнала в реальном времени.

    Читайте также  Художественная обработка древесины

    Что такое GNSS или глобальная навигационная спутниковая система?

    Глобальные навигационные спутниковые системы были первоначально разработаны ВВС США, тогда технология называлась Global Positioning System или GPS, и её можно было использовать только в вооруженных силах США. Со временем технология GPS стала доступна каждому на этой планете. Теперь, когда каждый смартфон оснащённый GPS находится в лёгком доступе для всех, правительства нескольких стран решили вывести эту технологию на более продвинутый, точный и долгосрочный уровень. Таким образом, появление глобальных навигационных спутниковых систем или GNSS стало официальным явлением для потребителей частного сектора.

    В настоящее время, помимо США, ГЛОНАСС России и Галилео Европейского Союза являются двумя основными действующими GNSS, работающими на поверхности нашей планеты. С появлением технологии GNSS начали работать многие вспомогательные технологии, известные как региональные навигационные системы (Regional Navigation Systems). Концепция технологии такая же, как и у GNSS, но охватывает меньше географических областей.

    Как работает глобальная навигационная спутниковая система или GNSS?

    Спутники GNSS имеют две несущие волны, зафиксированные в диапазоне L, а именно L1 (1575.42 МГц) и L2 (1227.60 МГц). Основное назначение этих двух диапазонов волн — передавать сигналы с подключенного спутника на поверхность земли. Согласно Techopedia, использование технологии L-диапазона может снизить накладные расходы, обеспечивая при этом надёжное соединение, которое менее подвержено прерываниям. Внедрение L-диапазонов при правильном расположении антенн даёт ряд преимуществ для сельскохозяйственных дронов, морских технологий, удаленного мониторинга и многого другого.

    С другой стороны, приёмники GNSS, размещённые на поверхности земли, состоят из антенны и блока обработки. Назначение антенны — принимать кодированные сигналы от подключенных спутников, а задача блока обработки — декодировать сигналы в значимую информацию.

    Примечание: для определения положения одного приёмника, GNSS должна собирать данные как минимум с трёх отдельных спутников.

    Каждый спутник GNSS вращается вокруг Земли с интервалом 11 часов 58 минут и 2 секунды. Информация о времени, передаваемая спутником, передаётся с помощью кодов, с тем чтобы приёмник мог определить временной интервал, в течение которого передавался код.

    Сигналы, передаваемые со спутника, содержат кодированные данные, которые помогают приёмникам точно определять его местоположение, а сам приёмник позиционирует себя точно в соответствии с положением спутника.

    IC приёмник вычисляет разницу во времени между временем вещания и временем приёма кодированного сигнала. Как только приёмник позиционируется точно относительно спутника, блок обработки переводит местоположение приёмника с точки зрения широты, долготы и высоты. Вот так на основе этой простой концепции, каждая GNSS работает на поверхности этой планеты.

    Применение глобальных навигационных спутниковых услуг

    Появление технологии GNSS привело к изменению концепции отслеживания местоположения с высокой степенью точности и широким диапазоном охвата. Существует несколько основных вариантов применения GNSS, которые помогли миру увидеть лучшее будущее.

    GNSS для навигации

    Среди всех других технологий концепция GNSS оказала большое влияние на навигационные технологии. В последнее время GNSS была включена в автомобильную промышленность, теперь почти каждая автомобильная компания интегрирует технологию GNSS в свои модели автомобилей. Интеграция технологии GNSS помогает водителю легко перемещаться по неизвестным маршрутам, чтобы исследовать дороги мира.

    Применение GNSS в навигационной системе не ограничивается только автомобилями, так как теперь эта технология широко используется и в самолётах. Предварительное картирование местности и обновление местности в режиме реального времени по GNSS позволяют пилотам избегать столкновений в воздушном сообщении. Более того, GNSS, используемая в кабинах самолётов, также использует такие технологии, как WAAS или GBAS (LAAS), для повышения точности курса.

    Что такое WAAS?

    По данным Федерального управления гражданской авиации, в отличие от традиционных наземных навигационных средств, система расширения зоны действия (Wide Area Augmentation System или сокр. WAAS) предоставляет навигационные услуги по всей Национальной системе воздушного пространства (National Airspace System или сокр. NAS). WAAS предоставляет дополнительную информацию приёмникам GPS /WAAS для повышения точности и целостности оценок текущего местоположения.

    Что такое GBAS или LAAS?

    Исторически сложилось так, что Федеральное управление гражданской авиации (Federal Aviation Administration или сокр. FAA) когда-то упоминало то, что мы теперь называем GBAS, LAAS. Согласно веб-сайту Федерального управления гражданской авиации, наземная система дополнения (Ground-Based Augmentation System или сокр. GBAS) — это система, которая обеспечивает дифференциальные поправки и мониторинг целостности глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS).

    Помимо широкого спектра применения GNSS в автомобилях и самолётах, GNSS также используется для навигации катеров/яхт и кораблей на поверхности воды.

    Примечание: на судах также используется функциональный блок GNSS получивший название «Man Overboard/Человек за бортом» или сокр. MOB. Данная функция позволяет экипажу корабля точно отметить местонахождение человека, упавшего за борт.

    GNSS для съёмки и геологического картирования

    Геодезическая съёмка и геологическое картирование — ещё одно важное применение GNSS. Большинство приёмников GNSS используют данные сигнала, генерируемые на частоте волны L1, для выполнения геологического картирования. Он оснащён точным кварцевым генератором, который помогает волне уменьшить ошибки часов при картировании. Исследователи могут также проводить высокоточные измерения путем расчёта соответствующего смещения между датчиками GNSS.

    Например, если активно деформирующаяся область (скажем вулкан) окружена несколькими приёмными станциями, то GNSS может пригодиться для обнаружения любого вида деформации или движения земли.

    Применение GNSS в других отраслях

    Помимо вышеуказанных вариантов применения GNSS, к числу важных также можно отнести:

    1. Мобильная спутниковая связь
    2. Экстренные и точные услуги на основе местоположения
    3. Улучшение прогноза погоды
    4. Фотографическое геокодирование
    5. Маркетинг и многое другое

    Датчики инерциальных измерительных устройств или системы INS

    Инерциальный измерительный блок (Inertial Measurement Unit или инерционный датчик; сокр. IMU) играет жизненно важную роль в глобальных навигационных спутниковых системах. Как уже говорилось выше, система GNSS собирает сигналы данных по крайней мере от трёх из находящихся на орбите спутников, где каждый сигнал, принимаемый приёмниками, является невероятно точен.

    Однако, если сигналу препятствуют какие-либо препятствия, такие как деревья, валуны или здания, сигнал больше не может обеспечивать точное позиционирование. Инерциальный измерительный блок — это своего рода инерционный датчик, который вычисляет вращение и ускорение движущегося тела для определения его положения в пространстве.

    Немного углубимся в детали

    IMU состоит из 6 дополнительных датчиков, расположенных по трём другим ортогональным осям, где каждая из которых также состоит из акселерометра и гироскопа. Задача акселерометра — измерять линейное ускорение движущегося тела, в то время как гироскоп измеряет ускорение вращения. Таким образом, вычисляя значения этих двух сенсоров, система может легко определить точное местоположение движущегося тела.
    В тандеме GNSS и IMU предоставляют конечным пользователям более мощные и точные навигационные решения.

    Подытожим

    Благодаря последним технологическим достижениям, многие концепции и технологии существенно изменили игровое поле для робототехники, спутниковой связи и навигации в том виде, в каком мы их знаем. Глобальная навигационная спутниковая система является ключевым игроком среди инновационных технологий, которые улучшили повседневную жизнь, какой мы знаем её сегодня. Более того, RTK обеспечивает GNSS сантиметровым уровнем точности с возможностью корректировки сигнала в режиме реального времени. Совместное использование GNSS и RTK обеспечивает максимальную точность и высочайшее качество отслеживания, которое вам необходимо. В конце концов, GNSS и RTK составляют самую мощную комбинацию на рынке сегодня.

    В этом обзоре мы разобрали все возможные области, касающиеся GNSS, и подробно обсудили её концепции, принципы работы и применение. Надеемся, что представленный материал в полной мере проинформировал вас о технологии GNSS, просветил и вдохновил к достижению поставленных целей. Благодарим за внимание.

    Спутниковые системы навигации

    Wiki-центр TAdviser приглашает редактора технологического блока «Спутниковая связь и навигация».

    Компании могут зарегистрировать свои системы и проекты в каталоге TAdviser/Спутниковая связь и навигация бесплатно. Раздел находится в оперативном режиме обновления.

    Навигационная система — это совокупность приборов, обеспечивающих навигацию (ориентирование) объекта в пространстве. Навигационные системы обеспечивают ориентацию с помощью: карт, имеющих видео,графический или текстовый форматы; определение местоположения с помощью датчиков или других внешних источников; автономных средств, таких как спутниковая связь и т.п.; информации от других объектов. Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов. Основные элементы спутниковой системы навигации:

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

    Россия занимает третье место по числу спутников связи

    По данные на конец 2016 года Россия занимает третье место по количеству спутников связи, обладая 17 космическими аппаратами. Страна уступает по этому показателю Франции, у которой спутников вдвое больше – 34, а также малому государству – Люксембургу, который владеет 108 аппаратами. Об этом сообщал ТАСС со ссылкой на генконструктора ОАО «Газпром космические системы» Николая Севастьянова. Япония обладает 16 спутниками связи, на пятом месте располагаются США и Гонконг, у которых по 11 аппаратов.

    Объем мирового рынка космической связи, существующего уже 45 лет, составляет $153 млрд с годовым приростом в 3%. Основную часть его составляет ТВ, радио и интернет — $104 млрд. Сегмент каналов связи оценивается в $18 млрд, подвижная связь – в $3 млрд.

    Что такое GPS мониторинг транспорта?

    GPS мониторинг транспорта это непрерывное слежение за автомобилями Вашего автопарка. Система мониторинга транспорта позволяет осуществлять GPS слежение в режиме реального времени. GPS оборудование, установленное на автомобиле, запрашивает свое местоположение у одного из спутников группировки GPS и, в режиме онлайн передает информацию диспетчеру. Подобная система навигации GPS позволила выйти с уровня простого контроля перемещения транспорта на уровень полноценного слежения за транспортом.

    При внедрении системы GPS/ГЛОНАСС мониторинга транспорта помимо слежения за транспортом осуществляется постоянный контроль уровня топлива, состояние автомобиля, его точные координаты, время , в течении которого автомобиль находился в простое или в движении и многое другое.

    Поскольку сигнал идет в режиме реального времени, современные системы контроля транспорта выполняют гораздо больше функций чем просто GPS мониторинг автомобилей. Сегодня, отслеживая перемещение транспорта, GPS оборудование позволяет диспетчеру оперативно реагировать в случае возникновения нештатных ситуаций.

    Диспетчер в процессе контроля перемещения транспорта может устанавливать голосовую связь с водителем, удаленно заглушить двигатель автомобиля и многое другое. Подобное расширение возможностей транспортного мониторинга позволяют не просто получать информацию о проблемах и нарушениях, влияющих на транспортные издержки компании, но и оперативно нивелировать их.

    Установка системы GPS/ГЛОНАСС мониторинга транспорта для постоянного спутникового контроля автомобилей

    Сегодня российская система навигации на основе ГЛОНАСС играют важную роль в обеспечении безопасности на государственном уровне. Современная система наблюдения ГЛОНАСС мониторинга транспорта позволяет осуществлять контроль транспорта при помощи российской группировки спутников. Создание группировки спутников началось еще в 80-х годах и включает около 27 спутников. Принцип работы спутников ГЛОНАСС мониторинга схож с американской системой NAVSTAR GPS. Но, в отличие от нее не требует никаких дополнительных обновлений после запуска.

    Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

    Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

    Схема работы GPS
    GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

    Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
    Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

    Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;

    Определение сейсмической активности;

    Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;

    Геодезия – определение точных границ земельных участков;

    Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

    Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

    Навигация без GPS.

    Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

    Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;

    Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;

    Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.

    Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

    Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

    Принцип работы GPS

    Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

    С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
    Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
    Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
    Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
    Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
    Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

    Погрешность в вычислении орбит;

    Ошибки, связанные с приемником;

    Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;

    Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;

    Геометрия расположения спутников.

    В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
    Характеристики навигационных систем GPS:

    Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;

    Количество орбитальных плоскостей – 6;

    Высота орбиты – 20000 км;

    Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;

    Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;

    Надежность навигационного определения – 95%.

    Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

    Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;

    Наличие картографической поддержки;

    Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

    Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
    Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

    Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
    Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
    Найти спутник и установить с ним связь;

    Получить альманах и сохранить его в памяти;

    Получить эфемериды от спутника и сохранить их;

    Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;

    Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

    Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
    Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
    Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
    Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

    Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
    Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
    Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: