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 )

Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались исходя из определенных требований, соответствующих их прямому назначению. Подразумевалась их глобальность; независимость от метеорологических условий, рельефа местности, степени подвижности объекта; непрерывность работы и круглосуточная доступность; помехозащищенность; компактность аппаратуры потребителя и др.

Гражданские применения СНС, развившиеся уже после разработки концепции систем ГЛОНАСС и GPS, особенно такие, как управление гражданским воздушным движением, навигацией судов, спасательные работы, предъявляют к СНС повышенные требования в плане доступности, целостности и непрерывности обслуживания. Дадим определения этим важным терминам:

Доступность (готовность) - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения.

Целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течение заданного времени или быстрее.

Непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.

Под заданным промежутком времени, как правило, подразумевается отрезок времени, наиболее важный с практической точки зрения, например, время захода авиалайнера на посадку. В настоящее время среди гражданских применений наиболее критичным к работоспособности СНС является управление воздушным движением, включая навигационное обеспечение воздушных судов. Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Доступность при маршрутном полете должна быть не хуже 0,999…0,99999; при полете в зо-не аэродрома и некатегорированном заходе на посадку не хуже 0,99999. Требования к целостности достигают, согласно требованиям ИКАО, значения 0,999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с. Приведенные данные показывают, насколько велики требования, предъявляемые к надежности СНС потребителями.

В СНС ГЛОНАСС и GPS высокие эксплуатационные характеристики на структурном уровне достигаются путем совместного функционирования трех основных сегментов:

Космического сегмента;

Сегмента управления;

Сегмента потребителей.

Кроме основных сегментов существует такое функциональное дополнение, как дифференциальная подсистема (DGPS) и ряд вспомогательных элементов: специальные каналы наземной и космической связи, средства вывода спутников на орбиту и т.п.

Основу концепции СНС ГЛОНАСС и GPS составили независимость и беззапросность навигационных определений. Независимость подразумевает определение искомых навигационных данмирудование, но при современном уровне развития электроники подобное усложнение уже не имеет значения. Беззапросность системы означает, что все вычисления в аппаратуре потребителя вычисляются только на основе пассивно принятых сигналов от НКА с заранее точно известными орбитальными координатами. В свою очередь, отсутствие необходимости передавать запрос от потребителя к НКА позволяет сделать оборудование потребителя весьма компактным и экономичным.

Космический сегмент.

Точность местоопределения и стабильность функционирования СНС в большой степени зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3 - 5 НКА. На практике орбитальная структура строится таким образом, что для большинства потребителей постоянно видны более 6 НКА и потребитель имеет возможность выбирать оптимальное созвездие по определенному алгоритму, заложенному в вычислитель приемника. Кроме действующих НКА, завершенная СНС имеет в своем составе несколько резервных спутников, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя либо для увеличения степени покрытия определенного региона. Действующие НКА могут быть перегруппированы (в ограниченных пределах) по команде с наземной станции управления. Действующие в настоящее время средневысотные орбиты с высотой около 20 000 км позволяют принимать сигналы каждого НКА почти на половине поверхности Земли, что обеспечивает непрерывность радионавигационного поля и достаточную избыточность при выборе оптимального созвездия НКА. Системы GPS и ГЛОНАСС часто называют сетевыми СНС, поскольку принципиальное значение для их функционирования имеет взаимная синхронизация НКА по орбитальным координатам и параметрам излучаемых сигналов, т.е. объединение группы НКА в сеть.

Основное значение НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения потребителем задачи позиционирования и контроля исправности самого НКА. В состав стандартного НКА входят: радиопередающее оборудование для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование для приема команд наземного комплекса управления; антенны; бортовая ЭМВ; бортовой эталон времени и частоты; солнечные батареи; аккумуляторные батареи; системы ориентации на орбите и т.д. Современные НКА могут нести сопутствующее оборудование, такое как детекторы для обнаружения наземных ядерных взрывов и элементы систем боевого управления.

Излучаемые НКА сигналы содержат дальномерную и служебную составляющие. Дальномерная составляющая используется потребителями непосредственно для определения навигационых параметров - дальности до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственной ориентации и т.п. Служебная составляющая содержит информацию о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей НКА, исправности и т.д. В основном служебная информация готовится командно-измерительным комплексом и закладывается в бортовую память НКА во время сеанса связи. И лишь незначительная ее часть формируется бортовой аппаратурой. Процедура переноса служебной информации из командного комплекса в память бортовой ЭВМ часто называется загрузкой данных.

Дальномерная составляющая содержит компоненты стандартной и высокой точности. Стандартная точность измерений доступна всем потребителям, а высокая - только авторизованным, т.е. имеющим разрешение военных контролирующих органов. Разграничение доступа достигается путем кодирования сигналов высокой точности.

В условиях военных действий возможны попытки как постановки преднамеренных помех с целью подавления сигнала СНС (джаминг), так и попытки навязывания (спуфинг), т.е. подмены сигнала и ввода в приемную аппаратуру противника заведомо ложной информации при помощи сторонних передатчиков. Поскольку в литературе весьма редко встречается четкое толкование термина «антиспуфинг» применительно к СНС, следует особо подчеркнуть, что речь идет именно о защите от навязывания.

Сегмент управления.

Сегмент управления состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС), связанных с главной станцией и между собой каналами связи; наземного эталона времени и частоты. Контрольно-измерительные станции ста-раются размещать как можно равномернее по поверхности Земли, сообразуясь с геополитически-ми факторами и экономической целесообразностью. Координаты КИС (фазового центра антенны) определены в трех измерениях с максимально доступной точностью. При пролете НКА в зоне видимости КИС, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, осуществляет первичную обработку информации и производит обмен данными с главной стан-цией. На главной станции происходит сбор информации от всех КИС, ее математическая обработка и вычисление различных координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовую ЭВМ НКА.

Данные, подлежащие загрузке, подразделяются на оперативные, обновляемые при каждом сеансе связи, и долговременные. В случае возникновения нештатной ситуации возможно проведение внеплановых сеансов связи и загрузки данных при условии нахождения НКА в зоне видимости одной из КИС.

Наземный эталон времени и частоты имеет более высокую точность, чем бортовые эталоны и предназначен для синхронизации всех процессов, происходящих в СНС и коррекции бортовых эталонов.

Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность - произвольное число потребителей может использовать сигналы СНС в любой момент времени.

Сегмент потребителей.

Сегмент потребителей можно условно разбить на три части: военные организации; гражданские организации; частные лица. Независимо от назначения потребительского оборудования, в нем присутствуют радиочастотный тракт, в котором происходит прием радиосигналов НКА и их первичная обработка, и вычислитель, предназначенный для вторичной обработки сигнала, выделения навигационной информации, реализации алгоритма вычисления оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя. Обычно сначала определяются текущие координаты НКА и дальности до них, затем вычисляются географические координаты потребителя. Вектор скорости потребителя вычисляется путем измерения доплеровских сдвигов частоты НКА при известных векторах скорости спутников. Для некритичных транспортных применений вектор скорости может рассчитываться по разности координат в два фиксированных момента времени. Далее, в зависимости от назначения приемника, информация может поступать на устройство отображения, в канал передачи, либо на блок управления внешними исполнительными механизмами.

Определение текущих координат НКА.

Несмотря на некоторое сходство с радиомаячными навигационными системами (беззапросность, дальномерный метод), СНС имеют также и существенные отличия. Координаты радиомаяков неизменны и заранее известны, тогда как координаты НКА необходимо постоянно находить. Определение текущих координат НКА, движущихся с большими непостоянными относительно потребителя скоростями представляет собой сложную техническую и вычислительную задачу.

При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. Контрольно-измерительные станции расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. По результатам доступных наблюдений в вычислительном центре главной командной станции вычисляются параметры орбит НКА. Они подвергаются математической обработке по алгоритмам устранения погрешностей. Затем на основании обработанных данных составляется прогноз параметров орбиты в фиксированные (опросные) моменты времени вплоть до выработки следующего прогноза.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Во время сеанса связи эфемериды передаются на НКА, а затем в виде навигационного сообщения, содержащего эфемериды и соответствующие метки времени - потребителям. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты НКА в опорные моменты времени, потребитель может вычислить координаты НКА в произвольный момент времени. Кроме эфемерид в навигационное сообщение закладывается альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС в целом, включая загрубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых НКА и выбора оптимального созвездия.

Общепринятые единицы мер времени.

Рассмотрение принципов построения и функционирования спутниковых навигационных систем невозможно без предварительного ознакомления с основными понятиями, относящимися к единицам мер времени. Эти единицы применяются для определения пространственного положения НКА, привязки сигналов НКА к единой шкале времени и т.д.

Принято различать две группы единиц отсчета времени:

Астрономические;

Неастрономические.

Основной астрономической единицей отсчета являются сутки, разбитые на 86400сек и равные интервалу времени, за который Земля делает один полный оборот вокруг своей оси относительно некой фиксированной точки отсчета на небесной сфере, для неподвижного наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Характерной особенностью астрономических суток является то, что в зависимости от выбранной точки отсчета (центр видимого диска Солнца, точка весеннего равноденствия и т.д.), сутки имеют разную длительность и различаются по названию.

Звездные сутки. Интервал времени, отмеренный между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, называется звездными сутками, или, иначе, звездным периодом обращения Земли. Время, измеренное на определенном меридиане, называется местным временем данного меридиана. Поэтому, в случае со звездными сутками, говорят о местном звездном времени меридиана.

Местное звездное время измеряется часовым углом положения точки весеннего равноденствия относительно небесного меридиана. Под небесным меридианом понимают проекцию земного меридиана на условную поверхность небесной сферы, поэтому часовой угол аналогичен географической долготе, отсчитывается от часового меридиана наблюдателя по часовой стрелке и измеряется в часах, минутах, секундах.

Известно, что ось вращения Земли совершает медленные периодические движения, состоящие из движений по конусу - прецессий, и небольших колебаний - нутаций. Прецессия и нутации вносят погрешность в определение звездного времени, поскольку из-за них перемещается точка весеннего равноденствия. Если при расчетах учитывают только прецессию, то получают среднее звездное время. Когда совместно с прецессией учтена и нутация, то получается истинное звездное время. Звездное время, измеренное на Гринвичском меридиане, называется гринвичским звездным временем.

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.

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

-- [ Страница 1 ] --

Основы спутниковой навигации

Теория и принципы

Системы и обзор приложений

Название Основы спутниковой навигации

Подзаголовок

Краткое руководство

документа

Id документа GPS-X-02007-C

Модификация Дата Имя Статус / Комментарии

SBAS (WAAS, EGNOS)

Обновление GPS

Высокочувствительный GPS

AGPS ошибки и DOP

UTM-проекция

DGPS-сервисы

Интерфейсы данных

GPS приемники

Введение в спутниковую навигацию

Спутниковая навигация это просто

Сегмент космоса

Сегмент пользователя

GPS сообщение

Вычисление позиции (уравнения)

DGPS сервисы для коррекции в реальном времени

Широкая область DGPS

Интерфейсы оборудо

–  –  –

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

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

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

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

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

Центральный офис u-blox AG Zuercherstrasse 68 CH-8800 Thalwil Switzerland Phone: +41 44 722 74 44 Fax: +41 44 722 74 47 E-mail: [email protected] www.u-blox.com Офисы продаж North, Central and South America Europe, Middle East, Africa Asia, Australia, Pacific

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

Как была написана эта книга?

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

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

–  –  –

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

1.1 Принцип измерения времени передачи сигнала

1.1.1 Основные принципы спутниковой навигации

1.1.2 Время прохождения сигнала

1.1.3 Определение позиции

1.1.4 Возникновение и коррекция ошибки по времени

2 GNSS технология: GPS пример

2.1 Описание всей системы

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

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

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

2.4 Сегмент пользователя

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

2.5.3 Информация в подфреймах

2.5.4 TLM и HOW

2.5.5 Деление на 25 страниц

2.5.6 Сравнение данных эфимериса и альманаха

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

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

3 GLONASS и GALILEO

3.2 Российская система: GLONASS

3.2.1 Состав GLONASS

3.3.1 Обзор

3.3.2 Основные сервисы GALILEO

3.3.3 Точность

3.3.4 GALILEO технология

3.3.5 Наиболее важные свойства трех GNSS систем

4 Вычисление позиции

4.1 Введение

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

4.2.3 Решение уравнения

4.2.5 Анализ ошибок и DOP

5 Координатные системы

5.1 Введение

5.2 Геоиды

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

5.3.2 Модифицированные локальные эллипсоиды и данные

5.3.3 Национальные отсчетные системы

5.3.4 Единый отсчетный эллипсоид WGS- 84

5.3.5 Трансформация от локального к единому отсчетному эллипсоиду

5.3.6 Конвертирование координатных систем

5.4 Координаты регионов на плоскости, проекция

5.4.1 Gauss-Krger проекция (Transversal Mercator Projection)

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

5.4.4 Единое преобразование координат

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

6.1 Введение

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

6.3 Способы уменьшения ошибки измерения

6.3.1 DGPS, основанный на измерении времени задержки прохождения сигнала

6.3.2 DGPS, основанный на измерении несущей фазы

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

6.3.4 Передача данных коррекции

6.3.5 DGPS классификация в соответствии с переданным диапазоном

6.3.6 Стандарты для передачи сигналов коррекции

6.3.7 Обзор различных сервисов коррекции

6.4 DGPS сервисы для коррекции в реальном режиме времени

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

6.5 Широкая область DGPS (WADGPS)

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

6.5.2 Спутниковые сервисы DGPS с использованием RTCM SC- 104

6.6 Предельная точность с DGPS и SBAS

6.7 Вспомогательный-GPS (A- GPS)

6.7.1 Принцип A- GPS

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

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

6.7.4 Отсчетная сеть

6.8 Высокочувствительный GPS (HSGPS)

6.8.1 Усовершенствованная стабильность генератора…

6.8.2 Антенны

6.8.3 Уровни шума

6.8.4 Корреляторы и время корреляции

6.9 GNSS-усилитель или реизлучающая антенна……

6.10 Псевдоспутники для внутренних приложений

7 Форматы данных и интерфейсы оборудования

7.1 Введение

7.2 Интерфейсы данных

7.2.1 Интерфейс NMEA-0183

7.2.2 DGPS данные коррекции (RTCM SC- 104)

7.2.3 Закрытые интерфейсы данных

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

7.3.3 Тактовый импульс: 1PPS и системы времени

7.3.4 Конвертирование TTL уровня в RS- 232

8 GNSS приемники

Основы спутниковой навигации Содержание GPS-X-02007-C

8.2 GNSS приемные модули

8.2.1 Базовый проект GNSS модуля

8.2.2 Пример: u-blox 5

9 GNSS приложения

9.1 Введение

9.2 Описание различных приложений

9.2.2 Бизнес и промышленность

9.2.3 Технология связи

9.2.4 Сельское хозяйство и лесничество

9.2.5 Наука и исследования

9.2.6 Туризм / Спорт

9.2.7 Военное ведомство

9.2.8 Измерение времени

А Ресурсы всемирной паутины

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

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

B Указатель

B.1 Список рисунков

B.2 Список таблиц

B.3 Источники

–  –  –

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

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

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

Рис.1 Основная функция спутниковой навигации В 2007 году Система глобального позиционирования (GPS), разработанная United States Department of Defense (DoD) была единственной полноценной рабочей системой GNSS. Быстро развивающаяся промышленность спутниковой навигации сосредоточена в основном на GPS системе, вот почему термины GPS и спутниковая навигация иногда подменяют друг друга. Данный документ рассмотрит и другие системы GNSS.

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

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

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

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

3. Она должна иметь возможность использования гражданским населением.

–  –  –

Краткое руководство рассмотрит основные принципы спутниковой навигации и их применение в приложениях и технологиях. На GPS будет основной акцент в связи с промышленным стандартом, а также будут рассмотрены такие разработки как Differential-GPS (DGPS), Assisted-GPS (AGPS) и интерфейсы устройства в различных разделах. Все это сделано с целью обеспечить читателя фундаментальной информацией о столь увлекательной области.

Рис. 2 Запуск GPS спутника Среди них авиация, взлеты и посадки с помощью спутниковой навигации становятся возможными.

–  –  –

1.1 Принцип измерения транзитного времени сигнала Какое-то время в течение грозовой ночи Вы, несомненно, пытались понять, как далеко Вы находитесь

По вспышке молнии. Расстояние можно установить довольно легко (Рис. 3): расстояние = момент вспышки молнии (стартовое время) до появления грома (конечное время), умноженный на скорость звука (приблизительно 330 м/с.). Разница между стартовым и конечным временем и есть транзитное время.

–  –  –

Рис.3 Определение расстояния по вспышке молнии Расстояние = транзитное время * скорость звука Система GPS функционирует согласно такому же принципу. Для того чтобы вычислить точную позицию, нужно всего лишь измерить транзитное время сигнала между точкой наблюдения и четырьмя другими спутниками, чьи позиции известны.

–  –  –

Все спутниковые навигационные системы используют общие принципы определения координат:

Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал.

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

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

Рис.5 С двумя передатчиками можно вычислить точную позиция несмотря на ошибки по времени Как видно, чтобы точно вычислить позицию и время вдоль линии (принимаем, что линия продолжается только в одном направлении), нам необходимо два передатчика сигналов времени. Из этого мы можем сделать следующий вывод: при несинхронизированных бортовых часах, используемых при расчете позиции, необходимо число передатчиков сигналов времени, превышающее число неизвестных измерений на единицу.

Пример:

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

В трехмерном пространстве нам необходимо четыре передатчика сигналов времени.

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

Рис.7 Определение транзитного времени сигнала

Как в примере с машиной, Расстояние D до спутника можно определить, используя транзитное время:

Расстояние = время в пути * скорость света

–  –  –

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

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

Рис.8 Позиция приемника в точке пересечения двух кругов

В действительности, позиция должна быть определена в трехмерном пространстве, а не на плоскости.

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

Если Вам нравится...

o понимать, почему необходимо 3 различных GPS сегмента o знать, что у каждого сегмента есть функция o знать, как сделан GPS спутник o знать, какого рода информация передается на Землю o понимать, как генерируется сигнал спутника o понимать, как определяется транзитное время сигнала o понимать, какое значение имеет корреляция o понимать, почему необходим минимальный период времени GPS для работы онлайн o знать, что такое фреймы и подфреймы тогда эта глава для Вас!

2.1 Описание системы

–  –  –

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

Пространственный сегмент (все рабочие спутники)

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

Сегмент пользователя (все гражданские и военные GPS пользователи)

–  –  –

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

2.2 Пространственный сегмент 2.2.1 Перемещение спутника Пространственный сегмент к настоящему времени состоит из 32 действующих спутников (Рис. 12) с орбитами в 6 различных плоскостях (от четырех до пяти спутников в плоскости). Они находятся на высоте 20,180 км над Земной поверхностью и наклонены на 550 к экватору. Каждый спутник совершает круг по орбите за 12 часов. Из-за вращения Земли, спутник будет в своем начальном положении (Рис. 13) после приблизительно 24 часов (23 часа 56 минут, чтобы быть точным).

–  –  –

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

Спутниковые сигналы синхронизации и времени

Точные данные(эфимерис)

Коррекционная информация для определения точного времени

Приближенные данные спутников (альманах)

Данные на ионосфере

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

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

Рис.17 Псевдослучайный шум

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

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

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

Частота данных 50 Гц

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

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

Время передачи для отдельных битов в последовательности с псевдодиапазоном.

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

–  –  –

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

Наиболее важные задачи управляющего сегмента:

Наблюдение за перемещением спутников и обработка орбитальных данных (эфимерис)

Контроль часов спутника и их работы

Синхронизация времени спутника

Ретрансляция точных орбитальных данных, полученных от спутников на связи

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

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

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

2.4 Сегмент пользователя

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

Демодуляция и концентрация полученного GPS сигнала дает системное усиление GG:

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

–  –  –

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

–  –  –

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

Системное время и скорректированные значения часов

Собственные высокоточные орбитальные данные (эфимерис)

Приближенные орбитальные данные для всех спутников (альманах)

Состояние системы и т.д.

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

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

2.5.2 Структура навигационного сообщения

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

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

2.5.6 Сравнение данных альманаха и эфимериса

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

Новый гражданский сигнал 1227.60 МГц, так называемая L2C частота.

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

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

Ниже приведены наиболее важные характеристики этих спутников:

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

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

Орбитальная высота 19,100 км

Орбитальный период 11 ч 15.8 мин

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

3.2.1 Состав GLONASS

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

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

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

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

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

Ключевые аргументы по введению GALILEO:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

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

Обслуживание корпорации будет в Тулузе и Лондоне .

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

Конструкция системы предполагает четыре фазы:

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

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

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

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

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

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

После частичного дифференцирования это даст следующее:

–  –  –

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

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

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

Есть несколько обозначений DOP в современном использовании:

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

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

HDOP: Горизонтальная DOP (позиция на плоскости)

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

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

Рис. 45: Влияние расположения спутника на значение DOP

–  –  –

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

Рис. 49 Геоид является аппроксимацией поверхности Земли

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

Сфероид определяется двумя параметрами:

Большая полуось а (на экваториальной плоскости)

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

Дополнительные значения можно найти в .

–  –  –

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

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

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

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

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

–  –  –

Эллипсоидальные координаты можно конвертировать в Декартовы.

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

Пример позиции:

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

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

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

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

Основы спутниковой навигации Координатные системы GPS-X-02007-C стр.64 Центральными меридианами для каждой зоны проекции являются 3°, 9°, 15°, 21°, 27°, 33°, 39°, 45°, 51°, 57°, 63°, 69°, 75°, 81°, 87°, 93°, 99°, 105°, 111°, 11 7°, 123°, 129°, 135°, 141°, 147°, 153°, 159°, 165°, 171°, 177° восточной (E) и западной (W) (долготы) (Рис. 58).

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

Внимание! точность порядка 1 метра!

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

Пример:

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

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

2.Расчет вспомогательных величин

Пример:

3.Вычисление абсциссы (W…E):y

Пример:

4.Вычисление ординаты (S…N):x

Пример:

5.Вычисление высоты H:

Пример:

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

–  –  –

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

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

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

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

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

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

6.2 Источники ошибки GPS

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

–  –  –

Рис. 61: Влияние времени измерения на отражения

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

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

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

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

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

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

RT DGPS, основан на стандарте RTCM SC104

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

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

Пост-обработка(последовательная коррекция и обработка данных).

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

Компенсация происходит в трех фазах:

1. Определение коррекционных значений от станции отсчета

2. Передача коррекционных значений от станции к GPS пользователю

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

–  –  –

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

–  –  –

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

6.4.2 Европейские GBAS сервисы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

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

–  –  –

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

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

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

Рис. 70: Зона распределения LandStar-DGPS и Omnistar

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

–  –  –

Таблица 16: Точность позиционирования без и с DGPS/SBAS

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

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

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

Вспомогательные данные включают в себя следующую информацию:

Расположение спутника (Альманах)

Точные орбитальные данные (Эфимерис, орбиты)

Информация о времени

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

6.7.4 Сеть

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

–  –  –

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

Повышение чувствительности сигнала

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

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

Повышение стабильности генератора

Антенны

Анализ помех

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

В дополнение, исследования показали, что обычные кварцевые генераторы производят

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

–  –  –

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

–  –  –

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

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

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

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

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

Для повышения чувствительности поиска увеличено количество дополнительных корреляторов.

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

2. GLL(географическая позиция – широта/долгота)

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

7. ZDA(время и данные)

–  –  –

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

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

–  –  –

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

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

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

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

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

GPS данные имеют следующую структуру:

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

–  –  –

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