Спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Факультет геологии и геофизики

Курсовая работа на тему

«Спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС»

Преподаватель: Белышев Ю.В.

Студент: Сохибов М. Т.

Группа: ГИС-17

Екатеринбург 2019



Введение

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

В современном мире спутниковые технологии играют очень большую роль для всего человечества. Почти в каждой стране пользуются сотовыми телефонами или спутниковым телевидением, а также широкое распространение получила за последнее десятилетие навигационная спутниковая система, использующаяся как в военных, так и в мирных целях.

Еще в 70-х годах 20-го века американские ученые начали разрабатывать технологии системы позиционирования, которая получила название «NAVSTARGPS». Изначально она использовалась только в военных целях и была строго засекречена, но спустя какое-то время стала успешно применяться в гражданской авиатехнике, а также, устанавливаться в современные автомобили. Однако не только в Америке начали разрабатывать подобный проект. Спустя десять лет, после создания «NAVSTARGPS», в Советском Союзе, создается ее аналог, под названием «ГЛОНАСС» или «Глобальная навигационная спутниковая система». Она предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. В настоящее время она быстро развивается, приближаясь к европейским стандартам, и уже составляет конкуренцию «GPS».



1.Историческая справка

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом Глобальная система позиционирования или сокращённо GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Также с помощью системы вмонтированной в спутники стало реально определять мощные ядерные заряды, находящиеся на поверхности планеты.

Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Но точность была уменьшена специальным алгоритмом.

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958--1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточной применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".

В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5 до 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей без запросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 (наносекунд), вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10- 15 м.

2.Современное состояние

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

· NAVSTAR (GPS)

Принадлежит министерству обороны США, что считается другими государствами её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

· ГЛОНАСС

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) - советская и российская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Принадлежит министерству обороны России. Является попыткой восстановить функционировавшую с 1982 года советскую систему. Находится на этапе повторного развёртывания спутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной группировки спутников, запущенных в СССР, было в 1993-1995 гг.). Современная система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR. Однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR.

· Бэйдоу

Развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность - небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

· Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

· IRNSS

Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Запуск первого спутника ожидается в 2009 году.

3.Создание карт для навигационных систем

Компания Navteq Corporation была образована в 1985 году и уже через девять лет начала поставлять свой софт для «заводских» навигационных систем - первым потребителем стала компания BMW. Сейчас продукцию Navteq покупают, например, для «конвейерной» установки на автомобили Chrysler и Mercedes, ею пользуются интернет-ресурсы (в частности, GoogleMaps), а самым известным производителем переносных PND-устройств (PersonalNavigationDevice) с картами Navteq является американская фирма Garmin. Сейчас карты Navteq покрывают 74 страны мира, а с февраля 2006 года в этот список входит и Россия: российское представительство компании сотрудничает с семнадцатью автопроизводителями, среди которых Peugeot, Opel и Mitsubishi, и в 2009 году к ним должен добавиться еще десяток фирм.

Процесс создания электронной карты для навигационного устройства включает в себя несколько этапов. Сначала у геодезистов покупают картоснову - подробную карту местности с обозначением населенных пунктов и отображением автомобильных дорог. Затем начинается процесс ее адаптации к автомобильным нуждам: специально экипированная бригада отправляется на визуальное изучение местности. В автомобиле находятся водитель и геоаналитик с арсеналом высокоточного «оружия». Главную роль играет GPS-приемник, осуществляющий привязку к местности. С ним синхронизируется камера-регистратор, которая раз в секунду отправляет в память ноутбука привязанное к абсолютным координатам изображение. Причем для более точного описания маршрута оператор с помощью игрового джойстика «вешает» на «картинку» стандартные значки-атрибуты, обозначающие класс дороги, тип покрытия, разрешенную скорость, номера домов, пешеходные переходы и т.д. Помимо этого, оператор оставляет звуковые комментарии и делает рукописные пометки с помощью графического планшета и «карандаша». Программу для создания навигационной карты можно увидеть на рисунке 7.

За один рабочий день экипажу удается «прорисовать» от 70 до 100 км городских дорог или около 300 км пригородных трасс, причем фактический пробег получается куда большим: геоаналитику надо зафиксировать все проезжие участки, а широкие проспекты и бульвары приходится проезжать в обоих направлениях. В итоге накапливается огромный массив данных, которые потом обрабатываются в аналитическом центре. Повторное «сканирование» местности проводится по мере появления новых дорог, а старые объезжаются приблизительно раз в год, но заказчики получают обновленные версии карт ежеквартально: исправление ошибок производится главным образом по сигналам пользователей. Но до них обновленные релизы доходят как минимум через два-три месяца после анонса.

Почему? Во-первых, нужно адаптировать карту под «железо» и фирменные стандарты подачи информации: цветовую схему, звуковое сопровождение и т.д. Во-вторых, между самим продуктом и его потребителем есть немало посредников, претендующих на свой кусок пирога. Иной раз диски с «фирменной» картографией для штатных навигационных систем появляются с задержкой до восьми месяцев! Неудивительно, что на фоне такой нерасторопности процветает пиратство - ворованные копии карт зачастую появляются в продаже раньше лицензионных продуктов. По состоянию на декабрь 2008 года «российские» карты Navteq покрывают дорожную сеть пятнадцати городов-миллионеров и шести областей. Всего - 281 тыс. км дорог. В начале года должна быть готова детальная карта Москвы, в которой будут прописаны не только подъездные дороги ко всем домам и корпусам, но и подробные схемы проезда «хитрых» развязок - например, повороты налево через правый «карман». Выход аналогичной карты Санкт-Петербурга планируется в первом квартале. Но в России компания Navteq сейчас в роли догоняющего - у основных конкурентов зона покрытия куда больше. Например, карты у компании Навител - 231 город и 598 тыс. км, а у компании TeleAtlas - 50 городов и 875 тыс. км. Еще одна характеристика - количество объектов инфраструктуры, к которым относятся рестораны, автозаправки, гостиницы и т.д. На российской карте Navteq их отмечено 47 тысяч, в то время как карта одного Нью-Йорка содержит 60 тысяч «интересных точек». Словом, поле для деятельности - широчайшее.

4.Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS

Системы в целом включают в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами).

Рисунок 4. Сегменты спутниковой навигации

· космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

· сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

· аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является без запросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции - навигационных определений, - система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Её основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

· по космическому сегменту - RockwellInternationalSpaceDivision, MartinMariettaAstroSpaceDivision;

· посегментууправления - IBM, Federal System Company;

· посегментупотребителей - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

5.GPS как спутниковая навигационная система

Спутниковая навигационная система GPS была изначально разработана США для использования в военных целях. Другое известное название системы - «NAVSTAR». Ставшее уже нарицательным название «GPS» является сокращением от GlobalPositioningSystem, которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это название полностью характеризуется предназначение системы - обеспечение навигации на всей территории Земного шара. Не только на суше, но и на море и в воздухе. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью.

Такая точность, во многом, стала возможной благодаря шагам Американского правительства, которое в 2000 году сделало систему GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA - SelectiveAvailability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70-100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3-10 метров.

Фактически, это событие дало мощный импульс для развития бытовой навигационной GPS аппаратуры, снижению ее стоимости, и активной ее популяризации среди обычных пользователей. На текущий момент, GPS приемники разных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности, начиная от обычной навигации, заканчивая персональным контролем и увлекательными играми, типа «Geocaching». По результатам многих исследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономический эффект для мировой экономики и экологии - повышается безопасность движения, улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.

Растущая зависимость европейской экономики от системы GPS, и, как следствие, от администрации США, вынудила Европу начать разработку собственной навигационной системы - Galilleo. Новая система во многом похожа на систему GPS.

Состав системы GPS

Космический сегмент

Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.

GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотах L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц), доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3-10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.

В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.

Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду», уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме, передавая навигационный сигнал на Землю.

Наземный сегмент

Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США - на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс, они преведены. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Рисунок 1. Расположение наземного сегмента GPS

Аппаратура пользователей

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства.

Поэтому в навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100-2000 долларов.

Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

Работа GPS-навигатора

Основной принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если вы точно знаете местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в 3-х мерном случае - сферу), на которой должна быть расположена точка вашего положения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е. радиус, достаточно велик, то можно заменить дугу окружности отрезком прямой линии. Если провести несколько таких линий, соответствующих разным реперным ориентирам, то точка их пересечения укажет ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжины спутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте ~ 17 000 км над поверхностью Земли. Скорость их движения весьма велика, однако параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам. Важной частью любого GPS-навигатора является обычный приемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно «прослушивающий» сигналы, передаваемые этими спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Изо всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными: GPS-приемник с помощью встроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получением сигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и т.е. узнает расстояние между спутником и приемником.

Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трёх окружностей Расстояние до спутников определяется простым уравнением

R = t Ч c,

где t - время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя, а с - постоянная величина, равная скорости света. Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPS приемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.

Рисунок 2. Определение текущего местоположения, как точки пересечения трёх окружностей

Чтобы определить момент, в который сигнал был «отправлен» со спутника, навигационное сообщение модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом, соответствующим номеру спутника. Аналогичная последовательность генерируется в GPS приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый со спутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» в приемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовых посылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS приемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколько десятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычисление позиции.

Информацию о местоположении спутников GPS приемники получают из передаваемых в навигационных сообщений данных альманаха и эфемерид. Альманах содержит информацию о расположение спутников «на небе», что позволяет при очередном включении GPS прибора значительно сузить секторы поиска навигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Точные координаты спутников вычисляются на основании данных эфемерид. В отличие от альманаха, спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его использования в подсчете позиции, GPS приемник должен получить полное навигационное сообщение. Ошибки передачи, связанные с «плохими» окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемерид позволяет GPS приемнику определять позицию за 1-2 секунды. Этот режим называется «горячим» стартом.

Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и находится под контролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-приёмников ухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50-150 м.

В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее, чем в теории. Это объясняется влиянием на GPS измерения различного рода ошибок:

· Ошибки системы.

· Ошибки связанны с распространением навигационного сигнала.

· Ошибки приемной аппаратуры.

Ошибки системы связаны точностью атомных часов спутников и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталона времени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных сообщений и учитываются GPS приемником в вычислениях позиции.

Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все равно присутствуют.

Ошибки многолучевости(приемной аппаратуры) можно одновременно отнести и к категории ошибок, связанных с распространением навигационного GPS сигнала, и к ошибкам GPS приемника. Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационного сигнала от близкорасположенных объектов - зданий, металлических конструкций, деревьев и т.п. (рисунок 6). В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переотраженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.

6.СРНС ГЛОНАСС

Структура и основные характеристики

Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальнаяНАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

· подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;

· подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов контроля и управления;

· аппаратуры потребителей (АП).

Навигационные определения в ГЛОНАСС осуществляются на основе опросных измерений в аппаратуре потребителей псевдодальности и радиальной псевдоскорости до четырех спутников (или трех спутников при использовании дополнительной информации) ГЛОНАСС, а также с учетом принятыx навигационных сообщений этих спутников. В навигационных сообщениях, передаваемых с помощью спутниковых радиосигналов, содержится информация о различных параметрах, в том числе и необходимые сведения о положении и движении спутников в соответствующие моменты времени. В результате обработки этих данных в АП ГЛОНАСС обычно определяются три (две) координаты потребителя, величина и направление вектора его земной (путевой) скорости, текущее время (местное или в шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) или, по другому, UТC(ГЭВЧ) (ГЭВЧ -- Государственный эталон времени и частоты). Основные характеристики СРНС ГЛОНАСС приведены в табл. 1 -- 2, где для сравнения приведены сведения об американской срсдневысотной СРНС GPS. В табл. 1 приведены общесистемные характеристики СРНС ГЛОНАСС. В табл. 2 приведены как стандартные значения характеристик СРНС, так и их оценки на основе данных, полученных в 1993--1995 гг. Последние показаны в скобках, причем для С/А-кода, кода стандартной точности) значения приводятся для вариантов работы с А/без SA (SA -- SelectiveAvailability -- селективный доступ) ).

Назначение и состав подсистемы контроля и управления

Наземный сегмент системы ГЛОНАСС -- подсистема контроля и упрощения (ПКУ), предназначена для контроля правильности функционирования правления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); контрольные станции (КС); система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура контроля поля (АКП).

Наземный сегмент выполняет следующие функции:

· проведение траекторных измерений для определения и прогнозировании непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

· временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизации спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;

· формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;

· передача (закладка) массива служебной информации в память ЭВМ каждого спутника и контроль за его прохождением;

· контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния;

· контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ;

· управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;

· определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами ПКУ.

В автоматизированном режиме решаются практически все основные задачи управления НС и контроля навигационного поля.

Центр управления системой

Центр управления системой соединен каналами автоматизированной и неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании принятого для ГЛОНАСС ежесуточною режима управления спутниками в рамках технологического цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает данные для прогноза эфемерид и частотно-временных оправок, осуществляет с помощью, так называемого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик системы, анализ баллистической и структуры и расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

Информацию, необходимую для запуска спутников, расчета параметров орбитального движения, управления ими в полете, ЦУС получает от системы единого времени и эталонных частот, системы определения параметров вращения Земли, системы мониторинга гелио- и геофизизической обстановки.

Центральный синхронизатор, взаимодействуя с ЦУС, формирует шкалу времени ГЛОНАСС, которая используется для синхронизации процессов и теме, например, в системе контроля фаз. Он включает в свой состав группу однородных стандартов.

Контрольные станции

Контрольные станции (станции управления, измерения и кон ля или наземные измерительные пункты) по принятой схеме радиоконтроля орбит осуществляют сеансы траёкторных и временных измерений, необходимых для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем спутников. С их помощью происходит закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и оперативных команд для управления новыми системами.

Траекторные измерения осуществляются с помощью радиолокационных станций, которые определяют запросным способом дальность до спутников и начальную скорость. Дальномерный канал характеризуется максимальной ошибкой около 2- 3 м. Процесс измерения дальности до спутника совмещают по времени с процессом закладки массивов служебной информации, временных программ и команд управления, со съемом телеметрических данных спутника.

Для эфемеридного обеспечения с КС в ЦУС ежесуточно выдается по каждому спутнику по 10-12 наборов (сеансов) измеренных текущих навигационных параметров объемом примерно 1 Кбайт каждый.

В настоящее время для обеспечения работ ГЛОНАСС могут использоваться космические станции (далее КС), рассредоточенные по всей территории России. Часть КС других элементов наземного сегмента ГЛОНАСС осталась вне территории России (в странах СНГ) и может быть использована лишь при наличии соответствующих договоренностей. Размещение сети КС выбрано с учетом существующей инфраструктуры управления НС и из условий надежного решения задач траекторных измерений для всей орбитальной группировки.

Такая сеть КС обеспечивает закладку на спутники системы 1 раз/сут высокоточных эфемерид и временных поправок (возможна закладка 2 раз/сут).

В случае выхода из строя одной из станций возможна ее равноценная замена другой, так как сеть КС обладает достаточной избыточностью и в наихудшей ситуации работу системы может обеспечивать ЦУС и одна станция, однако интенсивность ее работы будет очень высокой.

При планировании работы КС на сутки определяются основные и резервные станции для проведения сеансов измерений с необходимой избыточностью. Контрольные станции имеют тройное резервирование по аппаратуре (один комплект рабочий, второй -- в резерве, третий -- профилактические работы). Коэффициент готовности средств ПКУ в сеансе измерений и закладки информации на борт спутника близок к единице.

Описанная сеть КС отличается от аналогичной структуры СРНС GPS тем, что обеспечивает высокое качество управления орбитальной группировкой только с национальной территории. КС ГЛОНАСС могут использоваться для обеспечения функционирования других космических средств.

Особенности формирования эфемеридной информации в ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС создавалась в условиях, когда уровень фундаментальных исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики не обеспечивал требуемую точность эфемеридного обеспечения системы. В этих условиях был проведен комплекс работ по обоснованию путей решения этой проблемы через построение согласующих моделей движения спутников, параметры которых определяют в процессе решения самой задачи баллистико-навигационного обеспечения системы.

Исследования показали, что необходимо отказаться от типовых остро-резонансных (например, с периодом обращения спутника равным 12 ч, как вСРНС GPS, когда период вращения Земли вокруг своей оси равен двум периодам обращения спутника) орбит спутников, так как в процессе моделирования уравнений траекторного движения спутников это повышает устойчивость их решений и ослабляет корреляции между параметрами отдельных уравнений (моделирующих, например, изменение геопотенциала, координат измерительных средств, радиационного давления). Кроме того, оказалось, что наивысшая точность баллистико-эфемеридного обеспечения системы при решении многомерной навигационной задачи с расширенным вектором состояния обеспечивается при обработке измеренных текущих навигационных параметров на интервале 8 сут. Переход от остро резонансных орбит был осуществлен путем „увеличения числа витков спутника (по сравнению с GPS) на интервале 8 сут до 16 ... 17. Число спутников в системе выбрано равным 24 с равномерным распределением по трем орбитальным плоскостям. Все спутники системы фазируются таким образом, что на больших временных интервалах они имеют один след на поверхности Земли. Это обеспечивает высокую баллистическую устойчивость системы и относительно высокую точность и простоту расчетов траекторий. Опыт эксплуатации системы показал, что при обеспечении начального периода обращения спутника с точностью не хуже 0,1 сна протяжении заданного срока активного существования спутника его положение в системе корректировать не нужно.

В настоящее время в системе ГЛОНАСС используется запросная технология эфемеридного обеспечения, когда исходной информацией для расчета эфемерид служат данные измеренных текущих параметров (ИТП) спутников, поступающие в ЦУС от контрольных станций по программам межмашинного обмена через вычислительную сеть. Ежесуточно осуществляется 10- 12 сеансов передачи информации по каждому спутнику.

Проблемы глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС»в сравнении с GPS

На сегодняшний день Российская навигационная спутниковая система ГЛОНАСС еще не является совершенной и по многим критериям, к сожалению, уступает таким ее аналогам, как американской GPS, европейской Galileo и китайской Beidou. Хотя ГЛОНАСС начала развиваться еще при Советском Союзе, активно в разработку начали вкладывать средства только в последние 4 года при активной поддержке руководства РФ. Только за последние годы эта система была выведена на тот уровень, который обеспечивает достаточно уверенный прием сигнала почти по всей территории Земли. Но все же большими проблемами на сегодня являются точность передачи данных, нехватка дорогостоящего оборудования и точность определения координат.

В связи с отсутствием определенного числа мер в области развития и использования навигационных спутниковых систем, которые предусматривают свод определенных усилий федеральных органов исполнительной власти по ее реализации, обеспечение сбалансированного развития всех элементов спутниковой российской системы ГЛОНАСС, а также в связи с недостаточным финансированием проекта, орбитальная спутниковая группировка системы ГЛОНАСС не восполнялась в течение трех лет, т.е. с декабря 1995 года по декабрь 1998 года. В настоящее время функционирует в ограниченном составе, который не обеспечивает решение главных задач.

Таким образом, сокращение состава орбитальной группировки навигационной системы ГЛОНАСС:

Откладывает полномасштабное внедрение системы ГЛОНАСС в гражданскую и в военную сферы деятельности;

Ставит под угрозу выполнение РФ международных обязательств, принятых в рамках международной морской организации (ИМО) и организации гражданской авиации (ИКАО);

Сдерживает ход переговоров с партнерами зарубежных стран по предоставлению российской ГЛОНАСС в качестве основной базы для создания перспективных глобальных международных спутниковых навигационных систем;

Может привести к потере Российской Федерацией выделенной части радиочастотного диапазона, который обеспечивает функционирование глобальных навигационных спутниковых систем.

Соединенные Штаты Америки также не стоят на месте. Проводится активное внедрение спутниковых навигационных технологий в информационное управление войсками и оружием, а также во все ключевые секторы транспорта и экономики. Евросоюз начинает работу по программе GALILEO с целью создания европейской спутниковой навигационной системы, для того чтобы обеспечить независимость в области навигационных технологий.

Если не принимать меры по поддержанию и развитию системы ГЛОНАСС, российские пользователи вынуждены будут ориентироваться на системы GALILEO и GPS. При введении режима “селективного доступа” в иностранных системах спутниковой навигации, национальной безопасности Российской Федерации может быть нанесен непоправимый ущерб. Стоимость космических средств, огромное количество заказчиков, исполнителей и потребителей спутниковых навигационных услуг, а также ограничения в ресурсах, обуславливают необходимость в применении программно-целевого подхода при задачах развития и поддержания, а также использования системы ГЛОНАСС. Эта обширная проблема носит межрегиональный и межведомственный характер и требует комплексного подхода по ее устранению.

Реализация такой программы поспособствует объединению всех проводимых работ по развитию, разработкам и внедрению системы в рамках федеральной целевой Программы “Глобальная навигационная система”, которая позволит развить и использовать систему ГЛОНАСС как в военных сферах, так и в социально-экономической, сосредоточить финансовые средства для выполнения главных задач Программы и сделать основу для привлечения внебюджетных источников.

По недавно проведенному в Москве «Глонасс-форуму» можно сделать выводы, что для полномасштабного ввода Глобальной Навигационной Спутниковой Системы нужно решить достаточно серьезные проблемы технического характера, которые снижают ее конкурентоспособность с другими навигационными системами. Анализ всех мнений, прозвучавших на форуме, информирует о том, что восстановление штатной численности орбитальной группировки - это только лишь первый шаг в создании достаточно эффективных, удовлетворяющих современным требованиям координатно-временных сервисов. Ключевой проблемой на этом пути является отсутствие законодательной и метрологической основы для этого.

Значительное и резкое изменение количества работающих спутников, не сопровождаемое объяснением всех этих причин, сказываются негативным образом на доверии пользователей к системе и к уровню ее развития. Однако одними лишь «организационными» факторами проблемы ГЛОНАСС не ограничиваются. Опыт компаний серийного производства пользовательской аппаратуры с поддержкой системы ГЛОНАСС, говорит о присутствующих в техническом плане проблемах, которые осложняют использование аппаратов. Эти проблемы должны в скором порядке быть решены и ликвидированы.

Как отметил в своем выступлении на Глонасс-форуме один из экспертов компании Topcon Алексей Зиновьев, Российская система ГЛОНАСС со времен своего появления создавалась и проектировалась без учета проблемы совместимости c GPS. Изменения в использовании глобальных спутниковых систем, а также необходимость использования GPS-сигналов в отсутствие собственной полноценной орбитальной группировки поставила необходимость внесения корректировок в ряд изначально заложенных идей и задач. В настоящее время при поддержке ГЛОНАСС есть возможность значительно повысить эффективность использования приемников при работе в труднодоступной местности, в районах интенсивной застройки и ограниченной видимости - например, в карьерах или в лесных массивах. В таких условиях наличие всего лишь одного или нескольких «дополнительных» спутников способно обеспечить ожидаемую отличную работоспособность всей аппаратуры.

Поддержка ГЛОНАСС позволяет существенно и даже на порядок сократить время получения фиксированного решения в режиме «кинематики реального времени, широко используемом для получения точных информационных данных. Также сокращается время, так называемого «вынужденного простоя» - даже при полностью развернутой спутниковой группировке GPS оно может достигать в некоторых случаях нескольких десятков минут.

Особенности орбитального построения группировки ГЛОНАСС также повышают эффективность ее работы в высоких широтах, таких как Арктика и Антарктика, чего не может обеспечитьNAVSTARGPS. Использованный в ГЛОНАСС режим частотного разделения (FDMA) обеспечивает гораздо более высокую помехозащищенность, чем использующийся режим кодового разделения (CDMA) в системе GPS.К сожалению, некоторые достоинства российской спутниковой системы являются оборотной стороной ее недостатков.

Величины межканальных задержек при обработке спутниковых сигналов в пользовательской аппаратуре, которые возникают из-за использования частотного разделения, неодинаковы, поэтому серьезно ограничивают ее точность. Эта проблема решается с использованием специальной элементной базы, схемотехнических решений, а также некоторой калибровкой спутниковых приемников производителями. Такое число мелких недочетов, к сожалению, говорит о том, что вся аппаратура ГЛОНАСС оказывается более дорогостоящей, чем аналогичная ей аппаратура GPS - настолько, что вопрос о введении в ГЛОНАСС режима кодового разделения, который используется в GPS, не кажется неоправданным. Ошибки в переводе данных между двумя системами координат: WGS84 (WorldGeodeticSystem 1984), используемой в GPS, и системой ПЗ90 (Параметры Земли 1990), могут достигать нескольких метров. В настоящее время ученые работают над созданием более точной и перспективной системой координат ПЗ.02, в которой возможная неточность сигнала будет снижена до полуметра.

Еще одна проблема заключается в синхронизации друг с другом различных шкал времени, используемых в системах ГЛОНАСС и GPS. В российской навигационной периодически производится добавление целой секунды к шкале времени, что приводит к значительному усложнению работы пользовательских спутниковых приемников.

Корректная проверка достоверности при передаче спутниками навигационных сигналов в системе ГЛОНАСС требует не только получения, так называемых эфемерид спутника, как в американской системе NAVSTAR GPS, но и альманаха. Все это приводит к долгой продолжительности «холодного старта» в системе ГЛОНАСС, составляющая 2.5 минут, тем временем как эта же продолжительность в GPS достигает всего 30 секунд. Из этого вытекает следующее, что несинхронность закладки альманахов в некоторые спутники исключает корректное определение «здоровых» спутников в ряде каких-либо определенных ситуаций. Проблемы с идентификацией эфемеридных данных в системе ГЛОНАСС значительно осложняют работу в дифференциальных режимах в таких случаях, когда поправки привязаны непосредственно к эфемеридам.

К счастью, проблема идентификации эфемеридных данных частично была решена для обновленных спутников Глонасс-М. Однако текущий подход в определенном ряде случаев может быть неоптимальным и требующим некоторых улучшений. Тот алгоритм определения координат спутников ГЛОНАСС, который был опубликован в обновленной версии интерфейсного документа ГЛОНАСС, является чрезвычайно сложным, поэтому трудно реализуем на практике. Следовательно, до сих пор применяется «предыдущий», более упрощенный алгоритм.

Для решения вышеназванных проблем и дальнейшего планирования развития системы будет являться нужным учитывать мнения разработчиков навигационной пользовательской аппаратуры. Для этого информация о планах дальнейшего развития группировки должна быть информационно насыщенной, ясной и логичной. Только после этого приемники ГЛОНАСС смогут составить конкуренцию и отвоевать себе место на рынке даже после того, как будет введена в эксплуатацию обновленная GPS 3 с функциями, которые будут более точно определять местонахождение пользователя.

Как отметил в беседе с корреспондентом портала «Исследования и разработки R&D.CNews» - Алексей Зиновьев: «В данное время использование комбинированных приемников ГЛОНАСС/GPS обеспечивает более точный сигнал и дает пользователю преимущество над обычными односистемными GPS приемниками».

Еще одна из самых больших проблем системы ГЛОНАСС, которая мешает появлению в больших количествах потребительских устройств ГЛОНАСС на открытом рынке - это отсутствие до недавних пор спутниковых навигационных приемников, близких по габаритам, энергопотреблению и цене к GPS-решениям. Первый мультисистемныймодуль нового поколения NV08С разработанный КБ Навис, включает в себя все три спутниковые программы GLONASS/GPS/GALILEO. Первая партия таких приемниках была выпущена в конце 2009 года. Они является одними из лучших спутниковых приемников в формате чипсета на сегодняшний момент, которые используют многие автомобильные компании.

Заключение

Глобальная спутниковая радионавигационная система «ГЛОНАСС» является советским и российским аналогом американской спутниковой системы «GPS» В ходе своего долгого развития она переживала множество проблем, которые были связаны с финансированием разработки, а также в техническом плане. Долго длилась ситуация с недостатком спутниковых единиц в космической группировке из-за короткого периода эксплуатации космических аппаратов. Недостаточность денежных средств, выделяемых на навигационную спутниковую систему, мешала создать нормальный интервал производства и вывода спутников в околоземную орбиту, поэтому их количество оставалось очень низким около 15 лет. В ходе изучения темы, было выявлено, что в 2009 году число спутников на орбите достигло штатного режима. Стали выделяться большие финансовые средства на дальнейшую разработку отечественной технологии.

Однако, было выявлено то, что система ГЛОНАСС пока имеет очень много минусов и недостатков, которые мешают ей держаться на одной позиции с американской, европейской и китайской спутниковыми системами.



Используемая литература

1. Радиотехнические системы; Казаринова Ю.М; Высшая школа, 1990.

2. Система спутниковой навигации ГЛОНАСС; Кашкаров А.П; ДМК-Пресс, 2018 г.

3. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС.ХарисоваВ.Н., Перова А.И., БолдинаВ.А; ИПРЖР, 1998.

4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ; КНИЦ ВКС, 1995.

5.Спутниковые навигационные системы: Учебное пособие.Бессонов А.А., Мамаев В.Я. СПб.: ГУАП, 2006.

Размещено на Allbest.ru

...