Системы навигации GPS и ГЛОНАСС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Значение и области применения

Схема действия

Система позиционирования состоит из сети спутников, которые в непрерывном режиме посылают электромагнитные сигналы на Землю. Используя специальный приемник такого излучения, измеряющий расстояние до спутников, можно с установленной точностью (от нескольких десятков километров до нескольких миллиметров) определить месторасположение объекта на земной поверхности.

GPS была создана по заказу Министерства Обороны США в 1969 году и изначально состояла из 24 спутников, вращающихся по 6 круговым орбитам на высоте около 20.2 км над уровнем моря с наклонением 55° (рисунок 1), и сети специальных наземных станций слежения, обеспечивающих регулярное определение параметров движения спутников и коррекцию бортовой информации об их орбитах. Спутники передают на Землю сигналы малой мощности, но её вполне достаточно для местонахождения любого объекта.

Рисунок 1. Схематическое расположение GPS спутников на орбитах

Каждый современный спутник на своем борту несёт ряд высокотехнологического оборудования, основу которого составляют:

* четверо атомных часов;

* три кадмий - никелевые батареи;

* две солнечные батареи мощностью 1136 Вт;

* антенна коротковолнового диапазона для управления спутником;

* 12-ти элементная антенна длинноволнового диапазона для связи с пользователем.

В настоящее время используются GPS-приемники, размер которых сравним с размером сотового телефона, а вес составляет несколько сотен граммов. При этом GPS-приемник сообщает пользователю не только координаты нахождения (широта и долгота), но и отображает местоположение на электронной карте наряду с городами, транспортными магистралями и многими другими объектами.

Кроме определения трех текущих координат (долгота, широта и высота над уровнем моря) GPS обеспечивает:

* определение трех составляющих скорости объекта;

* определение точного времени с точностью не менее 0.1 с.;

* вычисление истинного путевого угла объекта;

* прием и обработку вспомогательной информации.

На рисунке 2 пояснен принцип связи GPS приемника со спутниками и определения координат объекта.

Рисунок 2. Связь GPS приемника со спутниковой системой

В настоящее время на Земле установлено пять крупных контрольных станций, осуществляющих мониторинг и обратную связь с GPS спутниками. Управляющая станция находится в США (штатКолорадо), остальные станции распределены по всему миру: Гавайи (Тихий океан), о. Вознесения (Атлантический океан), о. Диего Гарсия (Индийский океан), о. Кважален (Тихий океан) (рисунок 3).

Рисунок 3. Размещение станций слежения GPS.

Области применения

GPS используется не только на земле, но также на море и в воздухе. GPS призывают на помощь везде, за исключением тех мест, где невозможно принимать сигнал (пещеры, шахты, полости). Области применения GPS чрезвычайно широки:

· навигация любых подвижных объектов - частных автомобилей, инкассаторских машин, кораблей и самолетов (рис. 4);

· землеустроительные задачи;

· разработка природных ресурсов, в том числе проектно-изыскательские работы, разработка карьеров, управление техникой (бульдозеры и пр.) координирование скважин и других ресурсодобывающих объектов, исполнительные съёмки, природоохранные мероприятия;

Рисунок 4. Применение GPS в навигации

· экологические исследования: координатная привязка разливов нефти вследствие аварий, оценка площадей нефтяных пятен и определение направлений их движений;

· исследования сейсмической активности и вулканизма, движений полюсов, земной поверхности, горных пород и ледников, геоморфологические, биогеографические, океанологические и метеорологические исследования, мониторинг ионосферы и др. Обеспечение добычи полезных ископаемых, например, при открытой разработке угля, бурильных работ, геофизического профилирования;

· геодинамика и мониторинг геологической среды, деформации и смещения инженерных сооружений и грунтов.^[5]

Использование ГИС для картирования зон микросейсмической активности.

Основной технологический процесс, в котором реализуются преимущества визуализации, геофизический анализ сейсмических данных. Важным является интеграция в единой сцене двумерных и / или трехмерных разнородных данных: геофизических наблюдений, геологических факторов, топографических карт, космоснимков, моделей рельефа. Картирование рассматривается в более широком смысле, затрагивая вопросы создания картографического продукта, динамической 2D- и 3D-визуализации.

Результатом разработки является программный продукт «ГИС для геолого-геофизических исследований» (ГИС ГГИ). Данная система разрабатывалась с использованием технологии Microsoft.NET Framework и среды разработки ArcGIS Engine. ГИС ГГИ реализована в виде дополнительных функций для стандартного интерфейса ArcMap ArcGIS (рисунок 5), а также в виде самостоятельного облегченного модуля со специализированным интерфейсом.

Рис. 5. Главное окно облегченной (мобильной) подсистемы ГИС ГГИ

Рассмотрим технологические цепочки использования встроенных средств ArcGIS и вновь разработанных функций для реализации задач визуализации зон микросейсмической активности.

Разработка системы картирования и визуализации на основе средств ArcGIS осуществлялась в следующих направлениях:

* решение вопросов интеграции сложившихся методов построения систем координат для данных геофизических наблюдений со стандартными географическими системами координат (СК) и картографическими проекциями;

* импорт трехмерных массивов геолого-геофизических данных (кубов) в набор трехмерных точек (шейп-файл) и решение возникающих при этом проблем со скоростью отрисовки больших объемов геоданных;

* импорт двумерных массивов геолого-геофизических данных (поверхностей) в растровые геопривязанные данные;

* внедрение разработанных программных модулей в приложения ArcGIS;

* разработка облегченной версии ГИС на основе библиотеки ArcObjects среды ArcGIS Engine.

Формат хранения данных инклинометрии скважины представлен в таблице 1.

Таблица 1. Формат хранения данных инклинометрии скважины

Значения последовательных позиций скважины представлены в относительных смещениях от устья скважины на запад и на север. Принцип организации прямоугольной системы координат близок к принципу организации полевой прямоугольной системы координат, причем ось Х направлена с юга не север, а Y - с запада на восток. ^[6]

Здесь могут использоваться не только отдельные приемники, но и целые измерительно-вычислительные комплексы, точность измерений которых доходит до долей сантиметра. На основе сочетания возможностей GPS и других технических средств создаются информационно-измерительные системы, позволяющие получать новые качества в решении старых задач.^[1]

спутниковый навигация картирование

2. Американская система глобальной навигации NAVSTAR

Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей - нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником.NAVSTAR состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Спутники транслируют сигнал из космоса, и все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трём координатам в режиме реального времени.

Управляющий сегмент представляет собой главную управляющую станцию и несколько дополнительных станций, а также наземные антенны и станции мониторинга, ресурсы некоторых из упомянутых являются общими с другими проектами.

Пользовательский сегмент представлен приемниками GPS, находящихся в ведении государственных институтов, и сотнями миллионов устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.

Космические спутники. Орбиты спутников.

Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников (рис. 6). Круговая орбита с высотой порядка 20 200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы.

Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой. 24 спутника обеспечивают полную работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве.

Рисунок 6. Спутник системы на орбите

Точность

Составляющие, которые влияют на погрешность одного спутника при измерении псевдодальности, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Значения погрешностей различных источников

Суммарная погрешность при этом не равна сумме составляющих.

Коэффициент корреляции погрешностей двух рядом стоящих GPS приёмников (при работе в кодовом режиме) составляет 0,15-0,4 в зависимости от соотношения сигнал/шум. Чем больше соотношение сигнал/шум, тем больше корреляция.

Следующее поколение аппаратов

В ближайшее время все аппараты нынешнего стандарта GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.

Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения координат. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с погрешностью не более 60 - 90 см. Если такая точность будет не только для военных, но и для гражданских применений, то это приятная новость для владельцев GPSнавигаторов.

Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря использованию более точных атомных часов. Поскольку спутники перемещаются со скоростью около 14 000 км/ч (3,874 км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для трилатерации. Однако, даже точности в 10 см недостаточно для ряда задач по геодезии, в частности, для привязки к местности границ смежных земельных участков. При ошибке в 10 см площадь участка в 600 мІ может уменьшиться или увеличиться на 10 мІ.

Недостатки

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь, либо преднамеренно создаваемые «глушилками» (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками).

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55°) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

GPS реализована и эксплуатируется министерством обороны США и поэтому есть полная зависимость от этого органа в получении другими пользователями точного сигнала GPS.^[2]

3. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС

ГЛОНАСС - советская / российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации (китайская система спутниковой навигации Бэйдоу на данный момент функционирует как региональная).

Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своём 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.

Навигация

Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19400 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут (рис. 7). Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развёрнута в трёх орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316-500 Вт (EIRP 25 - 27dBW).

Для определения координат приёмник должен принимать сигнал как минимум четырёх спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трёх спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приёмника.

Рисунок 7. Спутник системы ГЛОНАСС второго поколения «ГЛОНАСС-М»

Точность

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстаёт от аналогичных показателей для GPS.

Согласно данным СДКМ (Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга) на 18 сентября 2012 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p = 0,95) по долготе и широте составляли 3 - 6 м при использовании в среднем 7 - 8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2 - 4 м при использовании в среднем 6 - 11 КА (в зависимости от точки приёма).

При использовании обеих навигационных систем происходит существенный прирост точности. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, даёт точность определения координат на территории Европы на уровне 1,5 - 3 метров.

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 метров, но после перевода в рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч» точность навигационного сигнала ГЛОНАСС возрастёт до одного метра (ранее система определяла местонахождение объекта лишь с точностью до 5 м).

К 2015 году планируется увеличить точность позиционирования до 1,4 метра, к 2020 году - до 0,6 метра с дальнейшим доведением до 10 см.

Модернизация аппаратов ГЛОНАСС

Сравнение поколений космических аппаратов приведено в таблице 3.

Таблица 3. Модернизация системы «Глонасс»

2015 году с развитием российской космической геодезической системы предполагается, что ГЛОНАСС догонит GPS по точности.

На 2015-2017 годы намечен запуск усовершенствованного спутника КА «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому CDMA сигналу в диапазоне L3, появятся открытые и шифрованные сигнал в диапазонах L1 и L2.

К 2025 году появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ», характеристики которого находятся в стадии изучения; предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 6 открытых и до 3 зашифрованных сигналов с кодовым разделением.^[3]

Сравнение текущих уровней развития ГЛОНАССа и GPS приведено в следующей таблице.^[4]

Таблица 4. Сравнение текущих уровней развития ГЛОНАССа и GPS

Текущее состояние.^[3]

Состав группы КНС ГЛОНАСС на 2 декабря 2014 года:

· Всего в составе ОГ ГЛОНАСС: 29 КА

· Используются по целевому назначению: 24 КА

· На этапе ввода в систему: 0 КА

· Временно выведены на техобслуживание: 0 КА

· На исследовании главного конструктора: 1 КА

· Орбитальный резерв: 2 КА

· На этапе лётных испытаний: 2 КА

Заключение

В ходе выполнения работы выяснил, что американская система позиционирования NAVSTAR более популярна в использовании у потребителей. Технически ГЛОНАСС не сильно отстает от своего иностранного конкурента, а чем-то даже опережает.

Возможно, в будущем мировой рынок навигаторов будет поделен на 2 половины: российскую (ГЛОНАСС) и американскую (NAVSTAR).

Стоит отметить, что на развитие систем позиционирования влияют «политические игры» между Российской федерацией и США. Каждая из сторон негативно относится к размещению чужих станций на своей территории, опасаясь за военную безопасность, а также продвижение «своей марки» у потребителей.

Список литературы

1. Самардак А.С. Геоинформационные системы. Дальневосточный государственный университет. Тихоокеанский институт дистанционного образования и технологий. 2005 г. - 124 с.

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/ГЛОНАСС

4. http://www.ends.by/index.php? option=com_content&view=article&id=4&Itemid=4

5. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования: Учеб. изд. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.,

6. К.С. Алсынбаев, Я.С. Суляев, О.М. Шорин. Использоваие ГИС для картрирования зон микросейсмической активности. Вестник Югорского государственного университета 2006 г. Выпуск 4. С. 16-23

Размещено на Allbest.ru