Обзор глобальных навигационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru//

4

Размещено на http://www.allbest.ru//

1.История

Запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 г. произвел переворот в различных областях науки и техники. В геодезии были разработаны новые методы решения научных задач с помощью ИСЗ. Значительно повысилась точность навигации и определения положения точек и объектов на поверхности Земли. С созданием мощных радиолокационных станций стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение спутника по отраженному от его поверхности лучу радиолокатора. Появилась возможность измерения параметров движения спутника по излучаемому сигналу. В 1957 году в СССР группа ученых под руководством академика Владимира Александровича Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения ИСЗ по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Эффект Доплера (доплеровский сдвиг частоты} -- изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Эффект Доплера имеет место при любом волновом процессе распространения энергии. Основная причина данного явления -- изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приемником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приемника в каждою секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний. Группой Котельникова была установлена возможность решения обратной задачи -- нахождения координат приемника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ. если параметры движения и координаты этого спутника известны. При движении спутник излучает сигнал определенной частоты, который несет информацию о его положении на орбите. Если измерить частоту принятого сигнала и сравнить ее с эталонной, то можно вычислить доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника. При непрерывном измерении можно составить своего рода функцию изменения частоты Доплера. Частота Доплера непрерывно изменяется и в какой-то момент становится равной нулю, затем изменяет знак. В момент равенства нулю частоты Доплера приемник находится на линии, которая является нормалью к вектору движения спутника. Измерив, момент времени, когда частота Доплера равна нулю, и используя зависимость крутизны кривой доплеровской частоты от расстояния между приемником и ИСЗ, можно вычислить координаты приемника. При этом спутник становится радионавигационной опорной станцией, координаты которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря эфемеридной информации, заложенной в навигационном сигнале, спутника.

В 1963 году начались работы по построению первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой системы «Цикада». В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192». Для радионавигационных спутниковых систем первого поколения характерным является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. Ошибка в определении координат для подвижного объекта составляла 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м. Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов в США также начали развиваться после запуска СССР в 1957 году первого искусственного спутника Земли. В это время была поставлена задача слежения за советским ИСЗ посредством приема его сигнала на наземном пункте с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты передатчика ИСЗ и дальнейшего расчета параметров движения спутника. Одновременно решалась и обратная задача расчета координат приемника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ. На этой основе в интересах навигационного обеспечения в 1964 году была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения «Transit», предназначенная для навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет «Поларис». После того, как в 1967 г. эта система была предоставлена для коммерческого использования, число гражданских потребителей быстро превысило число военных. Координаты потребителя рассчитывались на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из 6--7 навигационных космических аппаратов, который мог находиться в поле видимости в течение примерно 40 минут. Так же, как и в системе «Цикада», в системе «Transit» координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников, которые имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли -100 км. Период обращения спутников «Transit» равен 107 минутам. Спутниковые низкоорбитальные доплеровские радионавигационные системы имеют ряд существенных недостатков:

недостаточная точность определения координат объектов; отсутствие непрерывности в измерениях, так как спутники имеют низкие орбиты, и поэтому время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа; время между прохождением различными спутниками зоны видимости зависит от географической широты, на которой находится наблюдатель, и может составить величину от 35 до 90 минут. Сокращение этого времени за счет наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и тон же частоте. Для преодоления указанных недостатков были предложены другие способы применения спутников. Например, при определении взаимного расположения спутников их можно синхронно наблюдать с нескольких наземных станций. Сам спутник при этом может играть пассивную роль (например, отражая луч лазера, посланный с наземной станции, обратно на ту же станцию) или активную роль (непрерывно осуществляя передачу радиосигнала). На начальных этапах развития космической геодезии сигналы подавались в виде вспышек света, которые фотографировались на фоне звезд одновременно с нескольких наземных пунктов, находящихся вне прямой видимости. Положение спутника на фотографии относительно опорных звезд давало возможность определить точное направление на него сданной станции наблюдения. В настоящее время для определения местоположения на земной поверхности обычно измеряют расстояние между наземным пунктом и спутником, а также скорость изменения этого расстояния при прохождении спутника. Расстояния рассчитывают, исходя из времени, которое затрачивает электромагнитный сигнал (лазерная вспышка или радиоимпульс) на прохождение пути от спутника до принимающей станции при условии, что скорость распространения сигнала известна.

2. Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте(координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений , на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве. Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале , и временем приёма сигнала .Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние ) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению: отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2- мерная навигация при известной высоте) или четырёх(3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью). Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах; отражение сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе; невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из- за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

3.Обзор глобальных навигационных систем

На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли. Но действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты осуществляют лишь две: российская ГЛОНАСС и американская GPS.

3.1 Глобальная система позиционирования GPS

Американская система позиционирования GPS по своим функциональным возможностям аналогична российской 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. Как и система ГЛОНАСС, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.

GPS-это навигационная технология, которая используя спутники, определяет и показывает информацию о местоположении. В основном система GPS состоит из группы спутников, и хорошо применяются таких инструментах, как приемники. Система должна состоять как минимум из четырех спутников. Каждый спутник и приемник оснащен стабильными атомными часами. Спутниковые часы синхронизированы друг с другом и наземными часами. GPS-приемник также имеет часы, но он не синхронизируется и не стабилен (менее стабильный). Любое отклонение от фактического времени спутников земли часы должны корректироваться ежедневно. Четыре неизвестных параметра (три координаты и часы отклонение от времени по спутнику) обязаны быть вычислены из синхронизированной сети спутников и приемника. Работа GPS-приемника состоит, чтобы принимать сигналы из сети спутников, и вычислить три основных неизвестных, это времени и местоположение. Сигнал GPS в момент передачи включает в себя псевдослучайные коды и положение спутника на тот момент. Сигнал, транслируемый с помощью GPS ,использует несущую частоту с модуляцией. Кроме того, псевдослучайный код - это последовательность нулей и единиц. Практическое, положение приемника и смещение часов приемника относительно системного времени приемника вычисляются одновременно, используя навигационные уравнения для процесса время полета (TOF). TOF - это четыре значения, для приемника используя форму, время прибытия и времени передачи сигнала. Расположение преобразуется в широту, долготу и высоту относительно среднего значения над уровнем моря. Тогда координаты отображаются на экране. Структура GPS является сложной. Она состоит из трех основных сегментов: космический сегмент, сегмент управления и пользовательский сегмент. Запуск спутника на средней околоземной орбите - это тяжелейшая работа. Космический сегмент состоит из 24 до 32 спутников или космических кораблей на одной и той же орбите, по 8 в каждой из трех круговых орбитах. По крайней мере, шесть спутников всегда в прямой видимости почти всегда находясь на земной поверхности. После космического сегмента идет сегмент управления. В сегменте управления есть главная станция управления, альтернативная главной станции управления, наземные антенны и станции мониторинга. Пользовательский сегмент состоит из тысячи гражданских, коммерческих и военных устройствах позиционирования сервиса. GPS-приемник состоит из антенны, настроенные на частоты, передаваемые со спутников, также включает в себя экран дисплея, чтобы отображать место и время. GPS-приемник классифицируется по количеству, то есть число каналов спутников которых он может контролировать одновременно. Приемники обычно имеют от четырех до пяти каналов, но последние достижения показали, что могут принимать до 20 каналов. Спутниковая частота: все частоты спутникового вещания. Частотная полоса состоит из пяти типов, таких как L1, L2, L3, L4 и L5. Эти полосы имеют частотные диапазоны между 1176МГц и 1600МГц.

Спутники GPS вращаются вокруг Земли два раза в день. Они вращаются вокруг очень точно и рассылают указания и информацию на землю. Приемники GPS получают всю информацию и применяют триангуляцию, чтобы обнаружить точное местонахождение пользователя. Принципиально, приемник GPS сравнивает длительность, при которой сигнал был распространен по спутникам и выделяет время, когда он был получен. Разница во времени формулирует, насколько далеко приемник удален от спутников системы GPS. Он измеряет точное расстояние с нескольких спутников, приемник определяет положение пользователя и показывает его на карте электронного прибора. Приемник должен зафиксировать сигнал с минимум трех спутников для получения двумерной позиции, а также отслеживать движения пользователя. С помощью четырех или более спутников, приемник может определить трехмерное положение пользователя, которое состоит из высоты, широты и долготы. После определения положения пользователя, блок GPS вычисляет другую информацию, такую как скорость, направление, трасса, расстояние, пункт назначения, время восхода и время заката. Приемники GPS очень точные из-за параллельной многоканальной конструкции. Параллельные каналы очень быстрые и точные, хотя определенные факторы, такие как атмосферные шумы и помехи могут возмущать и повлиять иногда на точность GPS-приемников в целом. Пользователи также могут получить повышенную точность при дифференцированном GPS (DGPS),который корректирует сигналы GPS в окружении регулярно от трех до пяти метров. Военные службы активно используют наиболее частую коррекцию DGPS сервиса. Система содержит башенную конструкцию, для получения GPS сигналов и трансляции сигналов на маяки передатчиков. С целью получения точного сигнала, пользователи должны иметь дифференциальные приемники и антенну радиомаяка помимо наличия GPS-приемник.

Факторы, которые могут искажать точность сигналов GPS и, следовательно, влияют, на точность имеются следующие:

Задержки ионосферы и тропосферы - сигнал спутника замедляется, когда он проходит через слои атмосферы. Система GPS использует встроенную модель, которая используется для расчета регулярной продолжительности помехи, требуемые для устранения этого вида погрешности.

Переотражение сигнала- эта ошибка происходит, когда сигнал отражается от объектов, таких как более высокие здания и большие камни, прежде чем он достигнет приемника. Это увеличивает Общее время продолжительности распространения сигнала и вызывает ошибки и неточности.

Орбитальные ошибки - эти ошибки известны также как эфемеридные ошибки, которые используются для расчета погрешности положения спутника. Количество видимых спутников - точность положения зависит от точного количества спутников, которых GPS-приемник может видеть. Факторы, такие как здания, рельеф местности, электронные помехи блокируют точность сигнала и прием, который вызывает ошибки в позиции и иногда в не чтении сигналов. Так приемник обычно не работает в помещении, под водой и под землей. Не только для использования в военных целях используется GPS оборудование, но широко известно его применение в гражданских и коммерческих услуг. Некоторые применения в гражданских целях являются:

1. Астрономия: используется в Астрометрии и расчетов небесной механике.

2. Автоматизированные транспортные средства: также используется в автоматизированных транспортных средств (самоходные тележки) применяются к адресам для легковых и грузовых автомобилей.

3. Сотовая телефония: современные мобильные телефоны оснащены GPS отслеживанием программного обеспечения. Здесь присутствует потому, что бы знать положение человека и помогут отслеживать с помощью утилит ближайшие банкоматы, кафе и др. Первый сотовый телефон с поддержкой GPS был запущен в 1990-е годы. В сотовой телефонии, он также используется для обнаружения, для экстренных вызовов и многих других приложений.

4. Ликвидации последствий стихийных бедствий и других экстренных служб: в случае каких-либо стихийных бедствий, GPS-навигатор является лучшим инструментом, чтобы определить местоположение. Еще до бедствия, как циклоны, GPS не помогает в вычислении расчетного времени.

5. Флот слежения: GPS-это инструмент для разработчиков известной своим потенциалом для отслеживания военных кораблей во время войны.

6. Местонахождение автомобиля: AGPS включенная в автомобиле, Для лучшего отслеживания его местоположение.

7. Географическое ограждение: используют GPS, чтобы отследить человека, животного или автомобиля. Прибор крепится к автомобилю, человеку или животному на ошейник. Это обеспечивает непрерывное слежение и обновление.

8. Географические метки: одно из основных приложений геометки смысл применения локальных координатах на цифровых объектов.

9. GPS для интеллектуального анализа: использует сантиметровый уровень точности позиционирования.

10. GPS туры: помогает в определении местоположения близлежащих точки интересов.

11. Геодезия: Геодезисты используют системы глобального позиционирования для построения карты.

3.2 ГЛОНАСС(GLONASS) -Российская спутниковая система навигации

ГЛОНАСС - глобальная спутниковая навигационная система. В ее состав входит орбитальная группировка из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте 19100км. Спутники расположены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных на 1200, в каждой плоскости находиться по 8 НИСЗ, которые удалены друг от друга на 450по широте. Период спутников 11ч45мин. Такое построение орбитальной группировки позволяет создать оптимальные условия для непрерывного и глобального обеспечения Земли радионавигационными сигналами. Это позволяет пользователю установить свои координаты с ошибкой в 20 метров и скорость с погрешностью 15 см/с. Эта система, прежде всего, обеспечивает навигационной информацией различные транспортные средства: эта информация позволяет не только повысить безопасность полета и мореплавания, но и помогает управлять наземным транспортом, повышает оперативность грузоперевозок. Навигационная информация необходима при геодезических работах, составлении земельных кадастров, прокладки коммуникаций. Она необходима геологам при разработке нефтяных и газовых месторождений, в том числе и на прибрежных шельфах, с ее помощью удобно организовывать поисково-спасательные работы. Система разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ (Космические войска) и имеет статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство обороны РФ и Федеральное космическое агентство. Высокая устойчивость к помехам делает систему ГЛОНАСС самой надежной системой в мире, заглушить сигналы которой значительно труднее, нежели, например, сигналы GPS. Дело здесь в способе передачи и разделения сигналов. В отличии от американской системы навигации GPS, в которой разделение сигналов происходит по специальным кодам со спутников, но при этом все сигналы передаются на одной частоте. В ГЛОНАСС разделение происходит за счет передачи сигналов на разных частотах. Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту являются НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по НКА - ПО «Полет» (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов (подсистем) является РНИИ КП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определен Российский институт радионавигации и времени (РИРВ). К созданию ГЛОНАСС в последующем были подключены и самостоятельно подключились также другие организации. В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты на круговых геоцентрических орбитах с высотой ~19100 км над поверхностью Земли. В настоящий момент эксплуатируются космические аппараты ГЛОНАСС двух модификаций - собственно ГЛОНАСС и спутники модифицированной серии ГЛОНАСС-М. Первый из них был запущен в декабре 2003 года. Обе эти модификации основаны на сходных проектно-конструкторских решениях и на общей космической платформе герметичного исполнения. Использование в бортовых эталонах времени и частоты навигационных космических аппаратов атомных стандартов частоты позволяет обеспечить в системе взаимную синхронизацию навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой. Новое поколение спутников GLONASS-K также разрабатывается в НПО ПМ. Масса спутника GLONASS-K в 2 раза меньше, чем спутника GLONASS-M, а срок активного существования составит 10 лет. Спутники GLONASS-К будут передавать, 3 сигнала в интересах гражданских потребителей и будут передавать объединенный информационный пакет, который предоставить возможность оказания дополнительных услуг по спасению, поиску и связи в чрезвычайных ситуациях. Всего планируется заказать 27 спутников GLONASS-K. Основные изменения свелись, прежде всего, к модификации антенно-фидерного устройства, увеличению проектного срока активного существования до 7 лет и введению второй навигационной частоты для гражданских пользователей. Для запуска этих аппаратов используется ракета-носитель «Протон - К». Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

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

3.3 Спутниковая навигационная система Galileo

Успешный запуск проекта Galileo позволит увеличить более чем в два раза количество рабочих навигационных спутников, доступных пользователям. Подобное увеличение количества спутников принесёт пользу не только при работе в автономном режиме, но и улучшит качество определения координат и способность GPS-аппаратуры разрешать неоднозначность по фазе несущей для отслеживаемого спутникового сигнала. После 17 лет создания, Европейский союз, наконец, запустил свою сеть геолокации Galileo. Европа теперь имеет свою систему навигации. Как известно, Галилео была запущена в декабре 2016 года, после 17 лет развития. Galileo является альтернативой GPS и ГЛОНАСС, она использует свои собственные спутники для обнаружения устройств. Хотя принцип работы схож, есть некоторые различия. Как и GPS, Галилео также будет иметь возможность находить пользователей бесплатно, с точностью до 1 метра. У ЕС есть 18 спутников на орбите Земли, которые являются частью системы. Планируется, что к 2020 году спутников будет 30. Galileo нисколько не отстает от альтернативных систем, в чем-то даже превосходя их. ЕС надеется, что точность сделают систему привлекательной для автономных автомобилей и умных домов. Идеальная точность достигается с помощью 4-х атомных часов, доступных для каждого спутника. Каждый из них может отставать примерно на одну секунду каждые три миллиона лет. Каждое устройство нуждается в связи, по крайней мере, с 4 спутниками, таким образом, можно определить местоположение до нескольких сантиметров. Высокая точность системы очень не нравится США и другим странам. Еще в 1999 году, когда впервые был предложен проект, Соединенные Штаты высказались против, потому что такая точность якобы может помочь преступникам и террористам. Кроме того, сигнал Galileo, сможет блокировать GPS, который был разработан в США. В конце концов, была достигнута договоренность. Сигнал Галилео может блокироваться для некоторых граждан, но всегда останется доступ к системе для военных и правительственных пользователей через зашифрованный канал.

3.4 Индийская Спутниковая Региональная Система Навигации

Правительство Индии одобрило 9 Мая 2006, проект развертывания Индийской Спутниковая Региональная Система Навигации (IRNSS) с бюджетом 14.2 миллиарда Рупий в течение следующих 6-7 лет. Спутниковая группировка IRNSS будет состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах. Все семь спутников будет иметь непрерывную радио видимость с Индийскими управляющими станциями. Земной сегмент IRNSS будет иметь станцию мониторинга, станцию, резервирования, станцию контроля и управления бортовыми системами. Государственная компания ISRO является ответственной за развертывание IRNSS, которая будет находиться целиком под контролем Индийского правительства. Навигационные приемники, которые будут принимать сигналы IRNSS, так же будут разрабатываться и выпускаться индийскими компаниями.

3.5 Китайская Навигационная Спутниковая Система Compass

Китай, являющийся наиболее быстро развивающейся страной в мире, также начал строительство своей собственной спутниковой системы навигации Compass. Космический сегмент спутниковой системы навигации Compass будет сформирован из 5 спутников на Геостационарной орбите (ГСО) и 30 спутников на средней земной орбите. Два типа услуг будут предусмотрены. Для общего пользования будет передаваться сигнал, обработка которого позволит добиться точности местоопределения в 10 м, скорости в 0.2 м/с и определения текущего времени с точностью 50 нс.

Ограниченный круг пользователей получит возможность измерений с большей точностью. Китай желает сотрудничать с другими странами в разработке спутниковой навигации, чтобы обеспечить взаимодействие Compass с другими глобальными навигационными системами.

3.6 Японская Quasi-Zenith навигационная система (QZSS)

Первоначально Японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. В марте 2006 Японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнется второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объем услуг.

4. Навигация без спутников

Нынешние навигационные системы достаточно хороши, но все еще не идеальны. Я расскажу о технологиях, которые позволят компенсировать недостатки спутникового геопозиционирования. К спутниковой навигации все мы давно привыкли. Она уже прочно вошла в нашу жизнь и используется повсеместно -- начиная с автомобильных навигационных устройств и заканчивая смартфонами. Определив ваше положение, система подскажет маршрут, а на карте будет видна вся окружающая инфраструктура. Казалось бы, будущее наступило. Ведь еще пару десятков лет назад такое и вообразить было сложно. Но нет: текущее развитие технологий -- это лишь первый шаг, но сравнению с новыми горизонтами, которые открываются за пределами завтрашнего дня. Перспективные разработки не отменяют спутниковую навигацию как таковую, но значительно улучшают ее. Например, в современных смартфонах уже используется дополнительная функция позиционирования по вышкам сотовой связи. Однако спутниковый сигнал может полностью теряться в глухом лесу или внутри зданий. Новые разработки позволяют навигационным приборам «ориентироваться» на местности, даже когда спутники не видны, и к тому же способны осуществлять позиционирование значительно точнее -- вплоть до 2 см.

Впрочем, спутниковые системы пока все-таки необходимы -- неслучайно крупнейшие страны разворачивают собственные аналоги GPS и ГЛОНАСС.

4.1 Ориентирование по базовым станциям

Определить местоположение сотового телефона можно и без спутников по сигналам от вышек сотовой связи оператора. Правда, точность при этом значительно ниже -- от десятков метров до нескольких километров в малонаселенных районах, где базовые станции расположены далеко друг от друга. Как же работает эта система? Первый метод позволяет выяснить. какой базовой станцией в данный момент обслуживается мобильный телефон, и очень примерно определяет местоположение абонента. Точность данного способа зависит от количества базовых станций и радиоусловий. Во втором случае измеряется время прохождения сигнала до нескольких базовых станций, но это требует оснащения сети дополнительным и достаточно дорогим оборудованием. Оба метода используются операторами сотовой связи и позволяют «мониторить» местонахождение ребенка или отслеживать передвижения друзей на карте при их согласии.

Спутниковая навигация не отличается высокой точностью, к тому же она может оказаться недоступной. Новые разработки призваны повысить точность позиционирования, и умеют определять местоположение даже при отсутствии сигналов от спутника.

4.2 Loсata: позиционирование с точностью до сантиметр

Система спутниковой навигации работает по следующему принципу: со спутника передается радиосигнал, в котором сообщаются точное время и текущее местоположение космического аппарата. Данный сигнал поступает на приемник, а тот в свою очередь, зная точное время передачи сигнала и период, за который сигнал достиг приемника, может вычислить расстояние

до спутника. Проделав это с сигналами от нескольких спутников, находящихся в разных точках, приемник может довольно точно определить свое местоположение. Этот метод прост и надежен, хотя и не без некоторых оговорок. Смысл метода, который предлагают специалисты компании Loсata, приблизительно такой же, только вместо спутников здесь предполагается использование сети радиомаяков. Некая технология, подробностей о которой пока нет, позволяет этим маякам синхронизировать время с точностью до наносекунды и передавать сигнал о своем нахождении. Благодаря этому приемник сможет вычислять свое местоположение еще более точно. Преимущества системы состоят в том, что сигнал наземных маяков достаточно силен для того, чтобы проникать даже сквозь довольно толстые стены зданий, а кроме того, точность определения местоположения даже в закрытом помещении составит всего пару сантиметров. Большинству людей такая точность, скорее всего, не понадобится, однако автомобиль, оборудованный подобной системой, сможет не только определить свое местоположение -- также можно будет получить, к примеру, информацию о расстоянии до полосы встречного движения, до ближайших транспортных средств и т. д., благодаря чему движение станет более безопасным. Множество возможностей открывает способность Loсata работать в закрытых помещениях. К примеру, если речь идет о магазине, то смартфон, поддерживающий стандарт Loсata, сможет довести вас не только до самой торговой точки, но и указать в ней конкретное место.

спутниковый навигация приёмник станция

4.3 NAVSOP: самообучающаяся система навигации

Navigation via Signals of Opportunity (NAVSOP), благодаря использованию радиоволн различных диапазонов, сможет функционировать в таких условиях, в которых работа GPS затруднена или вовсе невозможна, например, в лесу, внутри зданий и даже под землей. Также данная система способна работать в самых отдаленных точках планеты, например в Антарктике, и Арктике, за счет использования радиосигнала спутников, вращающихся на низкой околоземной и геостационарной орбитах. Разработчики NAVSOP считают основным преимуществом своего продукта то, что развертывание системы и ее функционирование не требует создания дополнительной инфраструктуры. ПО, задействованное в NAVSOP, является самообучающимся, благодаря чему новые источники сигналов оперативно добавляются в существующую базу данных. При этом в качестве таких источников могут быть использованы даже сигналы установок для постановки радиопомех либо подавления сигналов GPS. Доктор Рэмси Фарагэр -- сотрудник комнании-разработчика BAE Systems -- поясняет, что для начала работы системы NAVSOP, то есть определения начального местоположения, и ее первоначального обучения сигнал GPS все же требуется, однако обязательным условием это не является. В целом, согласно планам разработчиков, данная система должна использоваться в паре с GPS: технологии станут дополнять друг друга и заменять в том случае, если работа одной из них окажется невозможна. Компания BAE Systems ориентирована на оборонные разработки, потому неудивительно, что система NAVSOP создается в первую очередь именно для военного применения. К примеру, она может помочь солдатам, ведущим боевые действия в сложных городских условиях либо в отдаленных районах земного шара, или применяться для обеспечения безопасности беспилотников, поскольку использование NAVSOP позволит аппаратам защититься от воздействия на их навигационные системы.

5. Гибридные системы

Гибридные системы позиционирования способны не только определять местоположение с помощью GPS-спутников, но и ориентироваться на местности по другим радиосигналам, а также посредством гироскопов и акселерометров.

5.1 TIMU-эффективная навигация без радиосигналов

В основном вооруженные силы и транспортные компании применяют для навигации систему GPS. Однако не каждый задумывается о последствиях возможной ситуации, при которой спутники GPS в силу каких-либо причин выйдут из строя или просто перестанут быть доступными. И если для водителя на дороге потеря сигнала вызовет лишь некоторые неудобства, с которыми можно будет справиться, то для военных это будет означать невозможность оперативно ориентироваться на местности, что во многих случаях предопределит поражение. Именно в силу этой причины множество научных организаций сейчас ведут работу над системами навигации, которые смогут работать автономно, без использования каких-либо внешних сигналов. Так, ученые из Мичиганского университета разработали TIMU (временно-инерционную навигационную однокристальную систему), которая умеет определять местоположение в условиях временного отсутствия доступа к сигналам GPS. Навигатор выполнен в виде чипа, размеры которою меньше монеты, и содержит в себе три акселерометра, три гироскопа и схему сверхточных часов. Данные, полученные с датчиков системы, позволяют достаточно точно определить положение транспортного средства, которое начало свое движение из точки с известными координатами. Все датчики чипа занимают объем 10 мм3, располагаясь в трехмерном пространстве. Чип состоит из шести слоев, толщина каждого из которых составляет приблизительно 50 микрон (что соответствует толщине человеческого волоса). Каждый из слоев имеет свою функцию, а все функции в комплексе обеспечивают работу системы навигации TIMU. Структура слоев и объединяющая их конструкция изготовлены из чистого кварца. Этот материал обладает отличной прочностью, а также низкими температурными коэффициентами, что делает его идеальной основой дня объединения в единое целое нескольких сложных устройств.

5.2 Высокоточный чип для смартфонов

Современные устройства позиционирования, встраиваемые в планшеты, смартфоны и навигаторы, плохо работают не только внутри зданий, но и просто в условиях плотной застройки или в густом лесу. Ситуация может измениться благодаря выходу навигационного чипа Broadcom ВСМ 4752, который будет доступен уже в ближайшее время. С его помощью высокой точности позиционирования можно будет добиться даже внутри зданий причем не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях. Это позволит узнать, например, на каком этаже вы в данный момент находитесь. Подобных результатов удается достичь за счет совмещения данных, полученных от множества различных датчиков, а также благодаря поддержке большого количества протоколов беспроводной связи.

Чип Broadcom ВСМ4752 поддерживает связь одновременно с четырьмя навигационными системами: ГЛОНАСС, GPS, SBAS и QZSS. Это позволяет получать данные с 59 навигационных спутников. В качестве дополнительных навигационных точек используются сигналы вышек сотовой связи. В помещениях чипу помогают ориентироваться сигналы сетей Wi-Fi, Bluetooth, NFC и 4G. Еще большей точности вертикального и горизонтального позиционирования позволяют добиться гироскоп, акселерометр, магнитометр, высотомер и счетчик шагов. Правда, чтобы воспользоваться всеми преимуществами навигации внутри зданий, необходимо еще и соответствующее программное обеспечение, а также карты. Прогресс в этом направлении уже наблюдается: компания Google в рамках принадлежащих ей сервисов Street View и Google Maps сегодня дает возможность посмотреть «внутренности» некоторых зданий. Таким образом, используя устройство, оборудованное чипом Broadcom ВСМ4752 и имеющее возможность работать с Google Maps, можно будет не испытывать проблем с нахождением лифта или кабинета в этих зданиях.

Заключение

В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы GPS, GLONASS и GALILEO. Практически во всех странах в настоящее время широко используется только GPS, нормальное функционирование, которой целиком зависит от правительства США. В некоторых областях, как например диспетчеризация полетов самолетов, использование GPS является неотъемлемой важнейшей составной частью инфраструктуры. В то же время навигационные системы в ближайшем будущем составят, неотъемлемую часть инфраструктуры государства и напрямую ,будут влиять не только на безопасность, но и на развитие промышленного производства в целом. Ни одно государство не может и не хочет в своем, развитии зависеть в какой либо области от другого, хотя и дружественного в данный момент, государства. Поэтому поиск альтернативы GPS и привел к созданию GALILEO и присоединению к ней многих развитых государств. Преимущества, которые появляются от присоединения к альтернативной навигационной системе на этапе ее развития следующие: диверсификация рисков, связанных с работой GNSS, посредством диверсификации инфраструктуры земного сегмента и используемого оборудования; создание новых рабочих мест при условии разработки и экспорта нового оборудования для GNSS; возможность заблаговременного внедрения технологических преимуществ использования GNSS в системы связи, транспорта и развитие новых технологий.

Список литературы

1. http://www.navigator-shop.ru/

2. http://www/manuaigps/ru/

3. В.С. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. -- 2-е изд.,

4. Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света. -- М.: 2006. -- № 12 (2795). -- С. 204-280.

5.www.iglonass.ru

6. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз,

Размещено на Allbest.ru