Глобальные системы позиционирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общее описание глобальных систем позиционирования

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры - 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station - MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США - подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверал, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:

Спутниковая трилатерация - основа системы

Спутниковая дальнометрия - измерение расстояний до спутников

Точная временная привязка - зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат

Расположение спутников - определение точного положения спутников в космосе

Коррекция ошибок - учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере

1 Спутниковая трилатерация

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.

Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер.

Третий спутник определяет две точки на окружности.

Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

2 Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код*

* - Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или Pseudo Random Numbercode).

3 Точная временная привязка

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации приведённые ниже рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.

Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников.

Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться как показано на рисунке.

Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом.

Если сделать замер до третьего спутника, то полученный радиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке.

Когда GPS приёмник получает серию измерений которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание.

Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

4 Расположение спутников

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55°, расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом*. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

* - Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

5 Коррекция ошибок

Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPS являются трудноустранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.

Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.

Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Раньше существовал ещё один источник ошибок - это Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A), искусственное снижение точности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 метров. Однако 1 мая 2000 года по решению президента США "Избирательный Доступ" был отключен.

Выводы:

1) Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.

2) Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников.

3) Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время.

2. Компоненты GPS картографических систем

Trimble Navigation Limited производит широкий спектр продуктов разработанных специально для картографирования и ГИС приложений. Эти системы позволяют быстро и точно собирать данные для создания и обновления географических баз данных. Картографические продукты включают в себя GPS приёмники, накопители данных, и программное обеспечение. В этом разделе обсуждаются эти компоненты.

Приёмники

GPS приёмники могут вычислять положения с периодом менее одной секунды и обеспечивают точность от дециметров до 5 метров при работе в дифференциальном режиме измерений. Приёмники различаются по весу, размеру, объёму памяти для хранения данных и количеству каналов которые они используют для слежения за спутниками.

В то время как Вы стоите на одном месте или перемещаетесь, приёмник получает сигналы с GPS спутников и затем вычисляет Ваше местоположение. Результаты вычислений отображаются в виде координат на дисплее приёмника. GPS приёмники вычисляют также скорость и направление движения позволяя решать навигационные задачи.

Накопители данных

Накопители данных (контроллеры) это портативные компьютеры работающие под управлением специального программного обеспечения предназначенного для сбора данных. Некоторые контроллеры записывают дополнительную информацию (например, атрибуты объектов) вместе с координатами, а другие сохраняют только координаты. Программное обеспечение выполняет контроль за установками GPS приёмника самыми важными из которых являются интервал измерений и количество хранимых GPS данных.

Накопители данных различаются по размерам, весу и типу записываемых данных, возможностям выдерживать неблагоприятные условия окружающей среды и количеству информации которую можно записать на них. Некоторые накопители данных должны быть соединены с отдельным GPS приёмником, а другие интегрированы с приёмниками в одном корпусе.

Программное обеспечение

Каждая GPS картографическая система поставляется с программным обеспечением для обработки. После возвращения с полевых работ Вы можете выгрузить координаты и вспомогательную информацию с вашего накопителя данных на компьютер. После этого программа позволяет повысить точность данных используя специальный метод обработки данных, под названием дифференциальная коррекция. Этот метод будет обсуждается в главе…

Программное обеспечение выполняет визуализацию ваших GPS данных. Некоторые программы позволяют осуществлять редактирование данных так что можно манипулировать, уравнивать и удалять координаты и атрибуты данных. Некоторые программы обеспечивают возможность вывода полученных материалов на печать (плоттер, принтер и т.д.). Программное обеспечение различается по количеству возможностей редактирования и экспорта данных.

GPS системы помогают при сборе информации о географических объектах и атрибутивной информации для ввода в ГИС или другие базы данных. Программное обеспечение обработки GPS данных экспортирует ваши результаты в ГИС программы где они могут быть объединены с информацией из других источников для дальнейшей обработки и анализа.

Выводы:

1) Trimble Navigation Limited производит широкий спектр продуктов разработанных специально для картографирования и ГИС приложений. Эти системы позволяют быстро и точно собирать данные для создания и обновления географических баз данных.

2) Некоторые программы обеспечивают возможность вывода полученных материалов на печать (плоттер, принтер и т.д.). Программное обеспечение различается по количеству возможностей редактирования и экспорта данных.

3) Чтобы узнать когда сигнал покинул спутник, нужно замерить временную задержку между одинаковыми участками кода.

3. Применение GPS

Картографические системы Trimble используются в различных областях. С помощью них можно создавать и обновлять базы данных ГИС для различных дисциплин. В частности они нашли широкое применение в сфере природных ресурсов, развития инфраструктуры и контроля городского хозяйства, сельском хозяйстве и социальных науках. Положение, время и дополнительную информацию можно собирать двигаясь по суше, воде и воздуху над интересующем вас местоположением.

Природные ресурсы

Специалисты работающие в области природных ресурсов, такие как, геологи, географы, лесники и биологи использую GPS картографические системы для записи GPS положений и дополнительной информации об объектах. Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрировать возраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съёмку территорий подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможность регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций и другую информацию.

GPS помогает при сборе данных о типах почв, которые в комбинации с трёхмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные слои и аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Кроме того, GPS можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озёр и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.

Городское хозяйство

Приложения в сфере городского хозяйства картографических систем Trimble включают в себя контроль транспортных потоков и инфраструктуры коммунального хозяйства. Улицы и проспекты могут быть оцифрованы при перемещении по этим объектам с одновременной записью GPS координат. Состояние дорог, опасные участки требующие ремонта участки вводятся в виде дополнительной информации для последующего использования в программах инвентаризации и ГИС.

GPS оказывается крайне эффективным при съёмке канализационных, газовых и водных трубопроводах, а также электрических и телефонных линий. Такие объекты как, крышки колодце и пожарные гидранты картографируются как точки с соответствующей атрибутивной информацией.

Аварийные машины и ремонтные бригады могут использовать GPS для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время их прибытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планом выполнения сервисных работ.

Кроме того, с помощью GPS можно выполнять съёмку земельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц и заводов расположенных в черте города.

Использование GPS в сельском хозяйстве

GPS картографические системы помогают описывать особенности участков полей находящихся в интенсивном сельскохозяйственном применении. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, тип почвы, участки урожая повреждённые насекомыми или болезнями, объём собираемой продукции и т. п. с их местоположением.

Положение трактора или самолёта может быть использовано совместно с данными о типе почвы для выполнения более экономного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами.

Технология GPS оказывает агрономам существенную помощь в создании баз данных, после анализа которых можно оценить эффект влияния различных методик проведения сельскохозяйственных работ на сбор выращенной продукции.

Применение в сфере социальных наук

Археологи и историки могут использовать картографические GPS системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест. Когда желаемая точка маршрута найдена, в базу данных ГИС записываются исчерпывающие данные по объекту, что позволяет в дальнейшем полностью восстановить картину на определённый момент времени.

В качестве примера, можно привести исследования выполненные антропологами в джунглях Венесуэлы. Учёные исследовали “белые пятна” в джунглях и использовали картографические GPS системы для регистрации мест проживания неизвестных местных племён. Местоположения и сопутствующие данные об уровне культурного развития которые были собраны, помогли в дальнейшем правительственным органам Венесуэлы создать резервации, чтобы сохранить в неприкосновенности уникальный быт местных племён.

Другие области применения

Картографические GPS системы можно использовать в любых приложениях требующих точной временной привязки, положений и другой атрибутивной информации. Конечный результат не ограничивается выводом на карту. Положения объектов и маркеры времени могут быть также переданы в программные пакеты которым необходима информация для всевозможного моделирования, например создания цифровых моделей местности (ЦММ).

Выводы:

1) Система глобального позиционирования являет собой инструмент с огромным потенциалом и широчайшим кругом использования.

2) Навигационные возможности систем могут оказать неоценимую помощь в поиске и спасении людей, в работе милиции и пожарных, а также геодезистам при экстренном поиске определённого местоположения.

3) Установив картографический GPS приёмник на самолёт или вертолёт, возможно например создать оперативный план границ участков с большой площадью, например, горящего леса. GPS можно использовать для определения границ распространения пожара.

4. Преимущества глобальных систем позиционирования

навигационный спутник позиционирование приемник

По сравнению с традиционными навигационными приборами и приемами, портативный приемник GPS обладает определенными преимуществами. Он работает все 24 часа в сутки в любых погодных условиях и в любой точке планеты, способен указать местоположение с погрешностью до 15м, что достаточно для туристов и целого ряда производственных нужд.

В пользу преимуществ приемника GPS для человека, оказавшегося в незнакомой местности, можно привести три ключевых довода:

§ приемник фиксирует ваше точное местоположение даже в условиях нулевой видимости;

§ он указывает направление на цель вашего путешествия и расстояние до нее;

§ приемник запоминает ваше нынешнее положение, поэтому впоследствии вы сможете это положение восстановить, то есть вернуться на прежнее место.

GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Все морские суда оборудованы GPS-приемниками. Созданы и чипы, совмещающие в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM - устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса. Например, американская компания AVID Identification Systems разработала идентификационный GPS-микрочип (размером с рисовое зернышко), который вживляется собаке в холку. Каждому микрочипу присваивается уникальный номер. С помощью такого микрочипа можно быстро найти потерявшуюся собаку.

В свою очередь, компания US Wireless разработала GPS-систему RadioCamera, предназначенную для оперативного сбора информации о ситуации на дорогах путем анализа сигналов сотовых телефонов. Радиосигналы сотовых телефонов поступают в центральный компьютер, определяющий местоположение разговаривающих абонентов с целью расчета расстояния между ними и определения изменения скорости движения автомобилей. Пеленгуя каждый отдельный мобильный телефон, оператор системы может определять место, скорость и направление движение автомобиля (в котором находится данный телефон). Благодаря системе RadioCamera возможно прогнозировать дорожные пробки за час до их возникновения. Кроме того, если телефон долго находится на одном месте без движения, то возможно, там произошла авария. Информация о всевозможных пробках поступает на электронные доски объявлений, а водителям предлагаются альтернативные маршруты движения. В настоящее время компания US Wireless разрабатывает также систему автоматического расчета оптимальных маршрутов движения, гибко реагирующую на любое критическое изменение ситуации.

Следует также упомянуть технологию Global Trax разработки американской компании GeoSpatial Technologies, предназначенную для слежения за перемещениями автомобилей. С ее помощью можно отследить перемещения автомобиля в любое время суток и в любом месте. В технологии Global Trax применяются GPS-система и геоинформационные системы. Их совместное использование позволяет определить местонахождение любого автомобиля со встроенным GPS-приемником с точностью до 3 м. Данные можно получать при помощи портативного компьютера, подключенного к Интернет. В этом случае точные координаты сопровождаются указанием на карте. Можно использовать и мобильный телефон (поступает только текстовая информация с координатами). Графическое изображение местности обновляется с частотой 1 раз в секунду. Продажи ПО Global Trax начнутся в 2001 г.

Компания Qualcomm использует ПО локализации сотовых телефонов разработки своей дочерней фирмы SnapTrack в системе глобального позиционирования gpsOne, задачей которой является отслеживание местоположения владельцев мобильных телефонов при чрезвычайных ситуациях (например, определение местонахождения владельца сотового телефона, позвонившего по 911). Это значительно упрощает работу спасательных служб. Уже к октябрю 2001 г. служба 911 будет пользоваться подобными данными.

Кроме того, компании Phone.com (разработчик решений мобильного доступа в Интернет) и SnapTrack совместно создают технологию определения местонахождения мобильного абонента на основе платформы Mobile Location Server (MLS) от компании Phone.com. Платформа MLS и ПО SnapSmart компании SnapTrack обеспечивают точное определение координат (с точностью от 3 до 20 м) в условиях, когда стандартные методы GPS-технологии не всегда работают (например, внутри зданий, на городских улицах и т. д.).

Благодаря появлению недорогих GPS-приемников процедура определения координат на местности стала простой и доступной, что дало своеобразный импульс и к развитию систем электронной картографии. Например, компания Microsoft предлагает ПО бизнес-картографирования MS MapPoint 2001, входящее в комплект приложений MS Office. С помощью данного ПО можно визуализировать бизнес-данные на основе интеграции электронных карт и демографической информации с документами, созданными средствами MS Office. В MapPoint хранится большой объем демографических сведений (240 категорий данных по США и Канаде и более 40 категорий данных по другим данным).

Кроме того, поддерживается глобальное позиционирование (пользователи MapPoint могут отслеживать свое местонахождение на карте во время движения). Компания Garmin предлагает любителям путешествий (туристам, альпинистам, мореплавателям) навигационный прибор eTrexSummit. Он объединяет GPS-приемник, альтиметр (высотометр), электронный компас и весит около 150 г. У компании Garmin есть и более ранняя модель GPS-навигатора Garmin GPS II+, на примере которой можно рассмотреть, как используются подобные устройства.

Вес GPS-навигатора Garmin GPS II+255 г, а размеры - 59х127х41 мм (дисплей - 56х38 мм). Он питается от 4 пальчиковых батареек АА (ресурс - 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. При включении Garmin GPS II+ начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом - гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) - чем больше спутников видит GPS-приемник, тем, разумеется, точнее будет определение координат.

Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого есть специальная кнопка PAGE). Есть также «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Пройденный путь отображается на «карте». Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров. В памяти прибора есть координаты основных населенных пунктов всего мира. Для определения направления движения к пункту назначения необходимо найти его в памяти GPS-навигатора, нажать кнопку GO TO, и на экране появится локальное направление движения: глобальное направление; количество километров (по прямой), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. Не менее полезной является и так называемая функция возврата. В память устройства можно записывать ключевые точки (waypoints), которые пользователь может называть по своему усмотрению. Кроме того, предусмотрены различные пиктограммы для отображения информации на дисплее. Можно также включить функцию возврата к точке (любой из ранее записанных). Кроме движения к записанной метке по прямой в Garmin реализована функция TrackBack - возврат по своему пути. Иначе говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке GPS-навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Реализована и функция смены ориентации дисплея - можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении.

Размещено на Allbest.ru