Сравнение эффективности применения навигационных систем GPS и ГЛОНАСС

Размещено на http://www.allbest.ru/

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ GPS И ГЛОНАСС

Синенко Анна Алексеевна,

Родионова Юлия Дмитриевна

студентки

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»

Научный руководитель: Струсь Сергей Сергеевич,

к.э.н., доцент

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»

Аннотация

В данной статье проводится сравнительный анализ существующих спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, а также рассматриваются их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: спутниковые системы, ГЛОНАСС, GPS, спутники, геодезия.

Abstract

This article provides a comparative analysis of the existing GLONASS and GPS satellite systems, as well as their advantages and disadvantages.

Keywords: satellite systems, GLONASS, GPS, satellites, geodesy.

Современные спутниковые технологии в геодезии обеспечивают высокую точность позиционирования и возможность проведения измерительных работ в любых, даже самых сложных физико-географических условиях. При этом существенно сокращается время, затраченное на геодезические изыскания.

Создание двух национальных систем: российский проект ГЛОНАСС и американский Global Positioning System (GPS) - произошло приблизительно в одно и то же время. Обе они проходят постоянную модернизацию за счет усовершенствования технологий и расширения возложенных на них задач.

GPS представляет собой комплексную систему, состоящую из 24-х спутников, находящихся над поверхностью планеты и обеспечивающих функционирование навигационной системы. Кроме космических спутников, в систему входит большое число приемников (и ежедневно к системе подключаются новейшие устройства): от обычных навигаторов, используемых владельцами автомобилей, до сложнейшей геодезической аппаратуры. Первоначально система создавалась для военной отрасли США, но в данное время она, как правило, используется в быту по всей планете.

Использование GPS в геодезии необходимо при разработке проектов строительных сетей (к примеру, при возведении комплексных сооружений либо отдельных строений) и масштабной топографической фотосъемке с детализированным отображением объектов, находящихся на земле. Каждый GPS-приемник занимается приемом сообщений, посылаемых спутниками относительно их месторасположения. Применяя приобретённые данные, приемник может выяснить свое местоположение. Для определения широты и долготы потребуется собрать информацию не менее чем от 3-х спутников. А если собрать данные с 4-х спутников, то получится вычислить не только упомянутые выше характеристики, но и обнаружить высоту над уровнем моря. Точность определяемых характеристик растет параллельно увеличению количества спутников, информацию с которых может получить приемник.

Все спутники постоянно передают сигналы с орбитальными координатами и точным временем отправки. GPS-приемник, принимающий информацию от нескольких таких спутников, рассчитывает их взаимное размещение и расстояние до каждого, получая в конечном итоге абсолютно точные координаты точки приема. Расстояние до спутника вычисляется благодаря разнице времени отправки и получения сигнала, а точность данных гарантируется высокоточными часами, установленными как на спутнике, так в принимающем устройстве. Скорость и точность определения местоположения зависит от количества принимаемых спутниковых сигналов.

Передаваемые спутниками сигналы передаются как с открытым, так и закодированным кодом, поэтому приемные устройства, не оснащенные специальными дешифраторами, принимают только открытые коды и выполняют свое позиционирование с невысокой точностью. В отличие от таковых бытовых приборов, геодезические приемники обрабатывают закрытые, платные, частоты. Второе отличие - геодезисты работают, как минимум, с двумя принимающими устройствами, одно из которых располагается на месте определения координат, а второе - на базе, месторасположение которой известно заранее. В итоге точность положения первого составляет 1-2 сантиметра.

Зарождением идеи использования спутников в СССР и в Российской федерации т.е. системы ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система по праву считается профессор Шебшевич В.С. Она была озвучена им в 1957 году. Главной целью метода было обеспечение точности навигационных определений вне зависимости от погодных условий и времени суток.

Для достижения цели, в шестидесятых годах прошлого столетия, стала разрабатываться первая низкоорбитальная спутниковая система Цикада, которая была сдана и введена в эксплуатацию в 1979 году. Система Цикада включала в себя четыре навигационных спутника, выведенных на круговые орбиты высотой 1 000 километров, имевшие наклонение 83 градуса и равномерно распределенными вдоль экватора.

Получение плановых координат объекта осуществлялось посредством 5-6 минутного навигационного сеанса от спутников системы. При этом в качестве исходных данных использовались «беззапросные» дальности от объекта до спутников.

Успешный опыт использования системы Цикада для целей морской и воздушной навигации повлек за собой необходимость создания более мощной и универсальной навигационной спутниковой системы.

Стартом разработки и создания спутниковой системы ГЛОНАСС считается Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР от декабря 1976 года.

Геометрия системы для покрытия максимальной площади поверхности земного шара задумывалась следующим образом - на три спутниковых орбиты, имеющих наклонение 64,8 градуса, должно быть выведено 24 спутника (по 8 спутников на каждую орбиту). Средняя высота орбит спутниковой группировки ГЛОНАСС составляет 19 100 километров.

Для исключения необходимости использования корректирующих импульсов в системе использован период, имеющий значение 11 часов 15 минут 44 секунды.

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1(1.6 ГГц) и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения с вероятностью 99,7%:

горизонтальных координат с точностью 50-70 м;

вертикальных координат с точностью 70 м;

составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;

точного времени с точностью 0,7 мкс.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот навигационного космического аппарата (НКА) ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАСС-М в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.

На данный момент на рынке геодезического оборудования представлено большое множество GPS-приёмников. Более подробно рассмотрим приемник JAVAD TRIUMPH-1M.

Рисунок 1 - Приемник JAVAD TRIUMPH-1M

Приемник Javad Triumph-1M (обновленный Triumph-1-G3T) реализованной на микросхеме TRIUMPH 2 компании JAVAD GNSS.

Приемник JAVAD Triumph-1M RTK GSM/4G/LTE (определение координат в реальном времени по GSM/GPRS каналу) Впервые в истории GNSS приемник обеспечивает прием 864 каналов для измерений по каждому частотному каналу, включая: GPS L1, L2/L2C, L5, ГЛОНАСС L1, L2.

Широкий выбор местоположений, возможность модернизации в любой срок после приобретения. Дополнительное внедрение систем ГЛОНАСС и Beidou (опционально), Galileo (опционально) совместно с GPS позволяет проводить измерения с большей точностью и меньшим временем, повысив качество выполняемых работ. Возможно, выполнять измерения в статике и RTK в режиме самостоятельного ГЛОНАСС, то есть не используя спутники GPS. Встроенный GSM/GPRS/UHF/Wi-Fi модем имеет возможность, как приема поправок, так и их передачи. Возможно подключение внешних модемов по Bluetooth, Wi-Fi, интерфейсным кабелем. Запись сырых данных на встроенную память 4Гб или на SD карту 16Гб.

При использовании комплекта приемников TRIUMPH 1M RTK GSM/GPRS вы получаете возможность определять координаты пунктов в течении 10-20 секунд с 10-15мм (в плане) в различных системах координат WGS84, СК42 или собственной локальной системе координат.

В таблице 1 приведена характеристика приемника JAVAD TRIUMPH-1M по критериям, которым обычно руководствуется любой пользователь при выборе геодезического оборудования.

Таблица 1 - Характеристики JAVAD TRIUMPH-1M

От наличия характеристик спутниковой аппаратуры, зависит точность, скорость, легкость выполнения геодезических измерений, например, двухчастотный приемник наиболее верный, требует меньше времени на измерение. Присутствие у приемника Bluetooth связи между приемником и контроллером позволяет, например, в дождь управлять приемником из машины с помощью контроллера. Рассматриваемой модели приёмника доступен веб-интерфейс (WEBUI). С помощью него возможно выполнить настройку приёмника без специализированных программ, аналогично WiFi роутеру. При наличии в приемнике WiFi такую настройку можно выполнять не только на компьютере, но и с помощью планшета или мобильного телефона. Также WiFi можно использовать для подключения контроллера, увеличивая дальность и стабильность работы соединения с контроллером.

Рисунок 2 - Веб-интерфейс приемника JAVAD TRIUMPH-1M.

При более подробном рассмотрении приемника можно выделить множество плюсов. Но, к сожалению, какой бы совершенной ни была система глобального позиционирования, существует ряд недостатков. Рассмотрим недостатки системы GPS и ГЛОНАСС более подробно.

Спутники GPS практически не появляются севернее 55-й параллели, а в южном полушарии, соответственно, южнее. Тогда как при угле наклона в 65 градусов и высоте нахождения в 19,4 тыс. км спутники ГЛОНАСС поставляют отличные, стабильные сигналы в Москву, Норвегию и Швецию.

Достоверность сигналов ГЛОНАСС составляет 2,8 м по сравнению с 1,8

у GPS. Однако эта цифра достаточно усреднена, потому что спутники могут выстроиться на орбите таким образом, что показатель погрешности возрастет в несколько раз. Причем такая ситуация может постичь обе спутниковые системы.

Немаловажную роль играет качество наземного оборудования, получающего и расшифровывающего получаемые данные.

Если говорить о выявленных недостатках обеих навигационных систем, их можно распределить следующим образом:

Таблица 2 - Недостатки GPS и ГЛОНАСС

Система GPS использует методику кодированных сигналов множественного доступа CDMA. Главное достоинство здесь - уменьшенные требования к ресурсам для передачи радиосигнала и точное определение координат с погрешностью всего в 2-4 метра. Позиционирование GPS в сравнении с ГЛОНАСС выше, что позволяет системе активно использоваться в сфере картографии и геодезии.

Система ГЛОНАСС функционирует с помощью метода «выделенных линий» FDMA.

Технология, в сравнении с GPS, считается более затратной, но зато обеспечивает лучшую защиту от возможных помех. С учетом того, что на передачу спутникового радиосигнала может влиять множество факторов, среди которых искусственные инженерные строения, облачность и погодные осадки, помехи от наземных источников радиовещания - ГЛОНАСС в качестве основной системы мониторинга за транспортом считается более перспективной.

Рассмотрев GPS и ГЛОНАСС можно прийти к выводу, что две системы являются практически идентичными с точки зрения обычных пользователей систем слежения. Даже разница погрешности в 1-2 метра у ГЛОНАСС будет компенсирована за счет большего количества спутников на плоскости. По оценкам, в 2020 году погрешность в определении точного местоположения датчиков составит всего 10 см. При этом для решения различных задач сейчас даже погрешность в 5-6 метров не является критичной.

Современные терминалы слежения позволяют принимать сигналы с каждой из систем. Аргументированным решением в пользу выбора ГЛОНАСС можно назвать его адаптацию к северным широтам и регионам, с которыми GPS справляется только на 70%.

спутниковый геодезия измерительный навигационный

Использованные источники

1. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС.

2. Модули навигационных приёмников: проблемы и перспективы. Chip news №4, 2008. 5. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. -- М.: ИКФ "Каталог", 2002. -- 106 с.

3. ГЛОНАСС вчера, сегодня и завтра // [Электронный ресурс]

4. История развития ГЛОНАСС

5. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. - М: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. - 694

Размещено на Allbest.ru