Современное состояние и перспективы развития GPS и ГЛОНАСС

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ «КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Т.Ф. ГОРБАЧЕВА»

Кафедра маркшейдерского дела, геодезии и кадастра

РЕФЕРАТ

На тему:

«Современное состояние и перспективы развития GPS и ГЛОНАСС»

Выполнила: ст.гр. ГК-081

Сапарова О.С.

Проверила: ст. преподаватель

Кирильцева Н.А.

г. Кемерово 2012

Введение

Спутниковые системы навигации являются большим шагом в современном развитии человечества и технологий. В настоящее время около 30 % автомобилистов мира используют новые технологии. Преимущественно, это американская система GPS, и изобретение Российских ученных - ГЛОНАСС. На третьем месте идет система навигации евросоюза, называемая Galileo.

Объектом моего доклада являются две наиболее успешные и известные системы - GPS и ГЛОНАСС.

Впервые потребительские спутниковые навигаторы, рассчитанные на совместное использование ГЛОНАСС и GPS, поступили в продажу 27 декабря 2007 года -- это были спутниковые навигаторы Glospace. Однако первым приёмником, рассчитанным на работу с американской и российской навигационными системами, был профессиональный прибор компании Ashtech GG24, выпущенный в 1995 году.

В России навигационную аппаратуру выпускают порядка 11 предприятий («НПО Прогресс»,ЗАО «КБ НАВИС», ОАО «РИРВ»,ОАО «МКБ Компас», ФГУП «НИИМА „Прогресс“», ОАО «Российские космические системы» (ФГУП "РНИИ КП), ОАО «Русские Навигационные Технологии», ООО «ТехноКом», ООО «M2M телематика», ЗАО «Микчел-ТСК», ООО НТП «СТАТТ» и другие).

Для автолюбителей перспективным направлением видится расширение функциональных возможностей ГЛОНАСС/GPS-приёмников для более интенсивного использования навигаторов не только в автомобиле, но и вне его. Одно из потенциально востребованных таких расширений -- добавление функций электронной книги.

Теперь, практический каждый мобильный телефон и планшет оснащен спутниковой системой навигации. Это не составляет никагого труда ни для производителей, ни для пользователя конечного продукта. Система очень проста в обращении и не требует дополнительных затрат.

1. Определение GPS и ГЛОНАСС

GPS (англ. Global Positioning System -- глобальная система позиционирования, читается Джи Пи Эс) -- спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования системы -- определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами -- спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Уже запущено более 50 спутников, начиная с GPS-I и далее 12 спутников GPS-IIR, 16 - GPS-II/IIA и 2 - GPS-IIR-M. Два спутника Блока IIF, выведенные на орбиты к октябрю 2011г., 14 формируют ядро новой перспективной GPS. Спутник GPS IIF SV-1 был запущен ещё в 2010г., спутник GPS IIF-2 - 16.07.2011г.

Созданием спутников занимается в основном компания Boeing, которая сотрудничает в этом направлении деятельности с ВВС США и в настоящее время вместе с другим мировым производителем спутников Locheed Martin занимается созданием навигационной системы третьего поколения: GPS-III. Первый спутник GPS-III будет запущен к 2015 г. Вся группировка GPS спутников в новом составе будет активирована к

2017 - 2018 гг. и должна прослужить до 2030 г. Количество спутников не изменится и по-прежнему будет равно 30, из которых 24 работающих и 6 резервных.

Ожидаемые преимущества GPS-III:

- увеличение срока работы спутников до 12 - 18 лет;

- усиление функции борьбы с атмосферными помехами;

- увеличение интенсивности GPS-сигналов (на 20 дБ);

- повышение точности определения координат до 1 м;

- увеличение количества услуг (связь, приём и передача

сигналов бедствия и поиск различных геообъектов).

Глобамльная Навигациомнная Спумтниковая Системма (ГЛОНАмСС, GLONASS) -- советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы».

ГЛОНАСС предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.

Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом Постановлением Правительства РФ в июле 2009 г. был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы». Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

2. Современное состояние спутниковых навигационных систем

Система NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging), сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-навигаторов.

Днем ее рождения можно считать февраль 1978 года, когда на орбиту был выведен первый спутник. Орбиты спутников расположены под углом 60° друг к другу таким образом, чтобы с любой точки земной поверхности одновременно было видно от 5 до 12 спутников, период обращения каждого из которых составляет 12 часов. Именно поэтому максимальное число каналов в GPS-приемниках - 12.

Каждый спутник размером около 5 метров (с раскрытыми солнечными батареями) весит более 900 килограмм, имеет в своем составе наиточнейшие атомные часы, вычислительное устройство, передатчик мощностью около 50 Вт, излучающий сигналы на 3-х частотах, однако гражданские GPS-приемники используют только частоту L1, равную 1575,42 МГц. Использование многочастотного радионавигационного сигнала позволяет компенсировать ионосферные и атмосферные помехи, что существенно повышает точность определения координат. Поистине ключевым моментом в истории GPS, обусловившим ее бурное последующее развитие, стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа SA (Selective Availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для снижения точности работы гражданских GPS-приемников. С этого момента даже любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (что на порядок меньше, чем раньше).

Одним из важнейших преимуществ GPS является, помимо безусловной бесплатности использования системы, ее всепогодность и глобальность, т.е. возможность работы в любой точке мира на поверхности земного шара (реально сложности могут возникнуть только на полюсах).

Погрешности измерения координат не превышают единиц метров, что вполне достаточно для решения подавляющего большинства задач навигации, даже для подвижных объектов. Современный электронный спутниковый навигатор GPS точно укажет магнитный и истинный север, скорость и направление движения, запомнит пройденный путь и все важные точки маршрута. Причем маршрут можно проложить заранее, записав его в память GPS-навигатора, а в поле на светящемся экране стрелка точно укажет кратчайший путь к намеченной цели.

Помимо спутниковой навигационной системы NAVSTAR, существует еще и отечественная ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), созданная в сентябре 1993 года по инициативе Минобороны России и позволяющая практически в любом месте Земли (за исключением приполярных областей) определять местоположение и скорость объектов. Для нормального функционирования системы требуются 24 спутника, но в настоящее время, по причине отсутствия должного финансирования, их количество все еще недостаточно для полного развертывания системы. С 2010 года функционируют все 24 запланированных спутника.

Состав группировки КНС ГЛОНАСС на 11.04.2012г.

Состав группировки КНС GPS на 11.04.12г.

3.1 Устройства GPS

На сегодняшний день приемники GPS выпускаются в большом количестве самыми разными компаниями. Возможности большинства устройств в принципе одинаковы и ограничены их назначением: определение координат и точного времени, но, в зависимости от области применения и стоимости, которая может колебаться от сотни-другой до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников может быть весьма разнообразным. В зависимости от их назначения все GPS-приёмники можно разделить на 2 группы: навигационные и геодезические - или на 4 группы в зависимости от области применения:

GPS-приёмники индивидуального применения, отличающиеся малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от формирования маршрутов следования до электронной почты;

автомобильные GPS-приёмники, автоматически передающие свои координаты на диспетчерские пункты;

морские GPS-приёмники, оснащенные ультразвуковым эхолотом и картами береговых районов и морского дна;

авиационные GPS-приёмники, которые применяются в пилотировании различных летательных аппаратов (самолётов, вертолетов и беспилотников)

Каким бы ни было назначение GPS-приёмника, главные составляющие его устройства - это антенна и навигационный процессор.

GPS-приёмник решает следующие задачи.

- Сканирование неба в поисках спутников.

- Приём сигналов от спутника.

- Идентификация спутника.

- Генерация в точности таких же сигналов, какие передаёт спутник. Эту задачу решает кварцевый генератор частоты с нестабильностью 10-7 с (10-8 - 10-6 с) после настройки приёмника на конкретный спутник.

- Хранение принятых от спутника данных осуществляется

во внешней памяти встроенного мини-компьютера.

- Обработка принятых от спутника данных с целью определения расстояния до него решается с помощью встроенного навигационного процессора.

спутниковый навигация глонасс потребительский

3.2 Рынок услуг средств спутниковой навигации в России

На сегодняшний день рынок услуг средств спутниковой навигации в России находится на начальной стадии своего становления. Основная масса компаний, действующих здесь, предлагают не услуги по собственно спутниковой навигации, а так называемые услуги по контролю за местоположением транспортных средств. Основная группа потребителей таких услуг - солидные автотранспортные предприятия с большим парком подвижных средств. Такие предприятия устанавливают средства определения координат в основном на автомобили, выполняющие международные перевозки. Кроме них достаточно широко применяют средства спутниковой навигации морские и речные пароходства, а также отдельные госструктуры (например, МЧС).

Наиболее серьезная проблема, стоящая на пути этого бизнеса, - отсутствие специализированного софта (здесь самая популярная программа - OziExplorer) и собственно откалиброванных географических карт. То есть карты России, конечно, имеются, однако они не доведены до практического использования в подобных коммерческих целях. Потребность в картах представляет собой ключевой компонент каждой СНС, а ценность самих систем возрастает пропорционально площади покрытия географического пространства страны. Было подсчитано, что использование СНС в Западной Европе экономит до 50% времени, необходимого для транснациональных переездов. Для нашей страны экономический эффект, очевидно, будет еще большим.

Тем не менее, в России по-прежнему существует абсолютно не соответствующая реалиям сегодняшнего дня система создания, обработки, хранения, распространения и использования картографической информации. Более того, совершенно бессмысленным и наносящим огромный ущерб государству является запрет на использование современных цифровых технологий для мгновенного определения местоположения в пространстве и отображения картографической информации гражданами страны. Но, пожалуй, самым вопиющим примером наплевательского отношения руководства России к проблемам навигационного обеспечения собственных Вооруженных Сил (что уж тут говорить о частных лицах!), явилась недавняя катастрофа российского истребителя Су-27, летевшего в Калининград, а заблудившегося и разбившегося в небе Литвы. Черт побери, да будь "сушка" оборудована хотя бы элементарнейшим 200-долларовым GPS-навигатором, подобного позора бы не случилось! Предельно неприглядная картина действующих запретительных мер по точности определения местоположения, разрешению космических снимков, предпринимаемых в целях защиты страны, наносят ей куда больший ущерб, демонстрируя неадекватность проводимой (надеюсь, что только по инерции) политики в области защиты географической информации.

3.3 Доступность навигации

Информационно-аналитический центр ГЛОНАСС публикует на своём сайте официальные сведения о доступности навигационных услуг в виде карт мгновенной и интегральной доступности, а также позволяет вычислить зоны видимости для данного места и даты. Оперативный и апостериорный мониторинг систем GPS и ГЛОНАСС также осуществляет Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ).

На 29 марта 2010 года количество видимых над горизонтом над Россией спутников ГЛОНАСС, как правило, было равно 7-8 КА. Для 30 марта 2010 года согласно карте интегральной доступности точность определения координат «хорошая» и лучше (PDOP ? 6) осуществляется для России практически в течение всего дня (точнее, для 99 % времени в течение дня для всей страны кроме района Владивостока, где этот показатель равен 95 %). В некоторых районах земного шара «хорошая» и лучше точность определения координат (PDOP ? 6) может осуществляться только в течение 92 % времени суток, а в некоторых точках и в течение 80 %.

При совместном использовании ГЛОНАСС и GPS в совместных приёмниках (практически все ГЛОНАСС-приёмники являются совместными) точность определения координат практически всегда «отличная» вследствие большого количества видимых КА и их хорошего взаимного расположения.

Постановление правительства Российский Федерации от 27 сентября 2011 года об обязательном оснащении пассажирских транспортных средств модулями ГЛОНАСС/GPS сделает группировку ещё более популярной.

3. Ближайшие перспективы развития GPS и ГЛОНАСС

4.1 Модернизация системы

Согласно программе модернизации системы ГЛОНАСС, действующей до 2020 года:

1. В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 --ПЗ-90.02.

2. С 2004 года запускаются новые КА Глонасс-М, которые транслируют два гражданских сигнала на частотах L1 и L2.

3. В 2007 году проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, вследствие чего увеличилась точность определения координат.

4. Во 2-ой фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавлина новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличилась точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что привело к повышению точности навигационных определений.

5. Начиная с 2010 прошло постепенное введение КА Глонасс-К, в которых реализованы дополнительные сигналы в формате CDMA, что облегчит разработку мультисистемных навигационных приборов, так как похожие сигналы используются в навигационных системах GPS/Galileo/Compass. Развертывание новых КА началось с двух КА «Глонасс-К1» в декабре 2010 года, в которых был протестирован новый открытый сигнал в диапазоне L3.

6. В 2011 году завершена модернизация наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации спутников и наземных комплексов стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составляет порядка 2,8 м для гражданских потребителей.

7. В 2013--2014 намечен запуск усовершенствованного спутника КА «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появится открытый сигнал в диапазоне L1.

8. В 2015--2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ», характеристики которого находятся в стадии изучения; предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 5 открытых и до 2 зашифрованных сигналов с кодовым разделением.

По прогнозам только что вышедшего экономического исследования “Спутники построенные и запущенные к периоду 2018 года", рынок космических аппаратов должен вырасти в последующие 10 лет на 58%. Если сравнивать период 2000-2009 с периодом 2010-2019 годов, то рынок должен вырасти с 772 космических аппаратов до 1220. Объем рынка производства спутников также возрастет на 57%, а средняя цена за спутник снизится примерно на 1%. Это значит, что локомотивом роста рынка станет количество запускаемых спутников. Что касается рынка запуска космических аппаратов, то на нем также наблюдается тенденция роста, достигшая 34%. Рыночная структура космического сектора подразделяется на три сегмента: гражданский государственный, военно-государственный и коммерческий. Государственные программы - гражданские и военные - являются локомотивом производства. Согласно экономическим прогнозам, около 2/3 всех спутников будут запущены гражданскими и военными техническими агентами. Что касается коммерческого рынка, его рост объясняется двумя факторами: заменой геостационарных спутниковых систем и приходом на этот рынок новых игроков из развивающихся стран.

Рынок телекоммуникационных спутников. Характерной чертой рынка производства и запусков телекоммуникационных спутников является наличие циклов спроса. В данный момент спутник проходит свой четвертый цикл, характеризующийся большим количеством запусков. Сейчас происходит около 24 запусков в год, в последующие 2-3 года количество запусков останется на этом же уровне. Однако, по прогнозам, в конце этого десятилетнего периода, то есть к 2018-2019 годам, количество запусков спутников достигнет 17-18 в год. Общий объем рынка производства коммерческих спутников за последние 10 лет оценивается в 25,77 млрд долларов. Надо сказать, что этот рынок характеризуется большой концентрацией производителей спутниковых систем, из которых три - российские компании: “Энергия”, “Хруничев" и “Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнева". По прогнозам специалистов в следующие 10 лет объем рынка возрастет на 12%.

Навигационный рынок будет продолжать расти. Рынок космических услуг фиксированной связи также будет расти: это относится как к спросу на транспондеры, так и к получаемому доходу. Причем такой рост особенно отмечен в последнее десятилетие.

Говоря о России, следует сказать, что здесь спрос на транспондеры вырос почти на 7,1% в прошлом году. Этот рост вызван увеличением спроса на транспондеры для обеспечения телевещания, но страна продолжает испытывать большую потребность в телекоммуникационных услугах. Данная тенденция останется, что вызовет увеличение потенциального рынка для операторов фиксированной связи в этом регионе. Большая потребность в средствах связи и быстрое расширение рынка телевещания вызовет спрос на транспондеры в последующие 10 лет. Несмотря на спад экономической активности, ожидается, что будет иметь место устойчивый спрос на спутниковый ресурс, хотя цифровое телевидение и некоторые типы телекоммуникационных услуг находятся на раннем этапе своего развития в этом регионе.

Заключение

Мобильные GPS-приемники стремительно набирают популярность во всем мире. Но GPS-навигатор, являясь, на первый взгляд, просто идеальным устройством определения местоположения в пространстве, в условиях плотной многоэтажной застройки мегаполисов далеко не всегда оправдывает возлагающиеся на него надежды. Есть планы, которые сейчас уже не кажутся невыполнимыми, а именно внедрение в корпус традиционного спутникового GPS беспроводных сетей Wi-Fi или GSM. Преимущества такой технологии очевидны: в навигационных устройствах отпадает нужда в использовании дополнительного GPS-чипа, все делается с помощью уже имеющихся в мобильном устройстве компонентов Wi-Fi и вычислительной мощности "бортового" процессора. Да и базовые станции потребуют лишь минимальной доработки. Все это, несомненно, позволит существенно снизить цену таких "городских" навигационных систем и даже ввести функцию навигации в любое современное Wi-Fi-устройство как бесплатный, но при этом очень привлекательный "бонус". А уж о пользе появления навигационной поддержки сотовых телефонов и говорить не приходится - настолько это очевидно.

Рынок навигационных технологий продолжает расти и радовать потребителя необходимыми продуктами своих разработок. Нет сомнений, что значительный прогресс в мировой экономике - современные средства GPS и ГЛОНАСС.

Исследователи и разработчики не останавливаются на достигнутом, а значит и обзор моего доклада изменится в ближайшие годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.А.Кирильцева, Ю.М.Игнатов - «Создание и обновление векторных моделей ГИС и кадастровых систем на основе данных GPS-соединений», г.Кемерово, 2012 г.

2. gps-club.ru

3. www.glonass-center.ru/

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9D%D0%90%D0%A1%D0%A1

5. www.glonass-portal.ru

Размещено на Allbest.ru