Системи навігації

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Системи навігації

Навігація (лат. navigatio, від navigo - плисти на судні) - слово, яке прийшло з морського транспорту, де цей термін має ряд значень (мореплавання, судноплавство; період часу в році; основний розділ судноводіння), де розробляються теоретичні обгрунтування і практичні прийоми водіння судів. Існує також навігація повітря.

База сучасної навігації закладена на основі:

- винаходу магнітної стрілки для визначення курсу судна;

- складання топографічних карт в прямій рівнокутній циліндричній проекції;

- винаходу механічного лага;

- розвитку фізики і створення елекгронавігаційних приладів і радіотехнічних засобів судноводіння

- математичних і навігаційних наук.

Сьогодні спільною працею наукових установ створені Системи Реалізації Навігаційних Обчислень (СРНВ). Їх основною операцією є визначення просторово-часових координат, що передбачене концепцією незалежної навігації, згідно якої, визначення навігаційних параметрів повинне проводитися безпосередньо в апаратурі споживача. Це системи типу GPS або ГЛОНАСС, де перелік характеристик підсистем, структури і способи функціонування визначають:

- необхідна якість навігаційного забезпечення:

- вибрана концепція навігаційних вимірювань.

Такі властивості якості СРНВ, як безперервність і висока точність навігації вимагають від СРНВ обов'язкової наявності трьох складових:

1 - система космічних апаратів у вигляді мережі навігаційних супутників:

2 - система контролю і управління у вигляді наземних командно- вимірювальних комплексів:

3 - апаратура споживача або "приймача".

Тому СРНВ в цілому - це комплексна електронно-технічна система, що складається з сукупності наземного і космічного устаткування, призначена для визначення місцеположення (географічних координат та висоти) і точного часу, а також параметрів руху (швидкості та напряму руху і так далі) для наземних, водних і повітряних об'єктів. Її основними елементами є (рис. 4.18):

- орбітальне угруповання, що складається з декількох (2...30од.) супутників, випромінюючих спеціальні радіосигнали (космічний сегмент):

- опціонно-наземна система радіомаяків, що дозволяє значно підвищити точність визначення координат:

- наземна система управління і контролю (контрольний сегмент), що включає блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для корегування інформації про орбіти;

- опціонально-інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок. що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.

- приймальне клієнтське обладнання ("супутникові навігатори"), що використовується для визначення координат, тобто сегмент призначений для користувача;

Рис. 4.18. Схема загальна структури супутникової системи навігації

Наприклад, система GPS (офіційна назва - NA VSTAR), має наступні характеристики основних складових:

1 - орбітальне угрупування з 24од. (+ 3од. резервних) супутників Block І, Block ІІ/ІІ-A, Block ІІ-R і Block II-М., що обертаються на 6-ти орбітах з віддаленням від Землі на 17000км, де вага кожного супутника - 900кг, діаметр з розкритими сонячними батареями - 5м, а потужність передавача - 50Ват;

2 - наземний сегмент з 6-ти од. контрольних станцій відстежування, що належать національному управлінню картографії США (N1MA) і 5-ти од. контрольних станцій відстежування і головної станції управління, що належать Міністерству оборони США, розташованих в різних точках Землі;

3 - апаратура користувача, яка має різну вартість, працює в смузі радіочастот L-діапазону від 390 до 1580МГц і має в своєму розпорядженні сигнали двох частот (LI - частота 1575,42МГц; L2 - частота 1227,6МГц).

На частоті L2 випромінюються сигнали високоточної інформації із захищеним військовим кодом Р (precision - точний). На L1 - сигнали як з військовим кодом Р, так і із загальнодоступним цивільним кодом (civilian code), який називають C/A(Clear Acquisition), - код вільного доступу.

Сучасний рівень електроніки, ПЗ і методів обробки навігаційної інформації на основі автоматичного наземного режиму диференціальної корекції (differential positioning) забезпечує точність визначення координат для споживача:

- від 2 до 5м в системах цивільних;

- від 1 до 10мм в системах військових.

Російсько навігаційна система ГЛОНАСС - аналогічна по своїй побудові американській, проте має вищу точність визначення координат споживача. Вона складається з 24од. супутників, розташованих на орбітах, які нахилені під кутом 64,80° і віддалені від Землі на відстані 19100км. Вага супутників "ГЛОНАСС-М" - 1415 кг, а "ГЛОНАСС-К" -850кг.

Європейська система Galileo спочатку призначалася лише для цивільних цілей, але прийнята в 2008р. резолюція Євросоюзу "Значення космосу для безпеки Європи" допускає використання супутникових сигналів для деяких військових операцій. Сьогодні це 27од. (+Зод. резервних) супутників і три наземні центри управління.

Китайська система космічної радіонавігації Beidou також призначена для військових і цивільних цілей, а її відмітною особливістю є надання споживачам важливої комерційної послуги - обміну між собою невеликими текстовими повідомленнями. Beidou складається з ЗОод. супутників, розташованих на похилих орбітах і 5-од. на орбіті геостаціонарній. Одним з перших глобальних транспортних проектів системи Beidou в цивільних цілях був контроль дорожнього руху під час проведення "Олімпіади-2008" в Пекіні. навігація супутниковий система

Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відоме з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається "альманахом", який має в своєму розпорядженні кожен супутниковий приймач до початку вимірювань. Приймач зберігає "альманах" в своїй пам'яті з часу свого останнього виключення і якщо "альманах" не застарів, то миттєво використовує його. Кожен супутник передає в своєму сигналі весь "альманах". Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі "альманаху", можна обчислити положення об'єкту в просторі.

Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначенні швидкості розповсюдження радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу поширюваного радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу, використовуючи точно синхронізований з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізується з системним часом, і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, шо міститься в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цю інформацію, навігаційний приймач обчислює координати антени. Решта всіх параметрів руху (швидкість, курс, пройдена відстань) обчислюється на основі вимірювання часу, який об'єкт витратив на переміщення між двома або більш точками з певними координатами.

Робота системи навігації в реальності відбувається значно складніше, оскільки існують деякі проблеми, що вимагають спеціальних технічних прийомів по їх вирішенню. Основними проблемами є:

- неоднорідність гравітаційного поля Землі, що впливає на орбіти супутників;

- неоднорідність атмосфери, із-за якої швидкість і напрям розповсюдження радіохвиль може мінятися в деяких межах;

- віддзеркалення сигналів від наземних об'єктів, що особливо помітно в місті;

- неможливість розмістити на супутниках передавачі великої потужності, із-за чого прийом їх сигналів можливий тільки в прямій видимості на відкритому просторі;

- відсутність атомного годинника в більшості навігаційних приймачів, що зазвичай усувається отриманням інформації не менше чим з трьох (2-х мірна навігація при відомій висоті) або з чотирьох (3-х мірна навігація) супутників (за наявності сигналу хоч би з одного супутника можна визначити поточний час з хорошою точністю).

Тому в даний час йде розвиток систем геостаціонарного доповнення для всіх навігаційно-геодезичних систем, тобто систем GPS і ін. Системи доповнення називають широкодонними системами супутникової диференціальної навігації SB AS (Satellite based Augmentation System). Вони дозволяють розширити зону, яку можна забезпечити диференціальними поправками (один геостаціонариий супутник може забезпечити поправками територію рівну за площею однієї третини від всієї поверхні Землі). У таких системах реалізовано принципово інший метод формування корекцій і передачі інформації всім користувачам через геостаціонарний супутник (рис. 4.19).

Новий підхід SB4S не вимагає будь-якого додаткового устаткування до судового приймача (наприклад, наявність радіомодему). Завдання вирішується шляхом зміни програмного коду. Наприклад, сьогодні створене самонавчальне ПЗ - Navsop, яке працює за допомогою звичайного супутникового приймача і супутникової антени.

Рис. 4.19. Схема роботи супутникової системи навігації SBAS

По конструктивному виконанню антени GPS/ГЛОНАСС-приймачів бувають двох видів:

- внутрішня (вбудована) антена - знаходиться всередині корпусу навігатора;

- зовнішня антена - встановлюється зовні навігатора і з'єднується з ним кабелем.

При цьому, незалежно від конструктивного виконання, антени всіх приймачів розрізняються за принципом прийому радіосигналів і бувають двох типів: плоска (Patch) антена; спіралевидна (Helix) антена.

Проте якість прийому навігаційних сигналів залежить не тільки від типу і конструкції антени, але і чіпсету приймача.

Чипсет (англ. chipset) - набір мікросхем, спроектованих для спільної роботи з метою виконання яких-небудь функцій.

Чипсет визначає наступні характеристики приймачів (навігаторів):

- час пошуку супутників після вмикання;

- можливість обчислення координат навігатора по відбитих сигналах від супутників (в умовах високих гір і густої рослинності, туристичні навігатори роблять це гірше ніж автомобільні);

- можливість використання растрових карт великого розміру з високою деталізацією (що вимагають багато місця на диску);

- якість графіки на дисплеї;

- швидкодія, тобто використання карт пам'яті (для зберігання декількох навігаційних карт і пройдених маршрутів) і так далі

Размещено на Allbest.ru