Супутникова навігаційна система і її використання екіпажем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ ІННОВАЦІЙНИХ ОСВІТНІХ ТЕХНОЛОГІЙ

КАФЕДРА АВІАЦІЙНОЇ ПСИХОЛОГІЇ

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни:

«АВІАЦІЙНІ СИСТЕМИ ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ»

Тема: «Супутникова навігаційна система і її використання екіпажем»

Виконала:

Студентка групи ПС-501з

Спеціальність 6.030102 «Психологія»

Барбон Аліна

Київ 2019

Зміст

Вступ

1. Історія створення супутникової системи навігації GPS

2. Принцип роботи супутникової навігаційної системи

3. Системи навігації

4. Навігаційна система глобального позиціювання GPS

навігація супутниковий інформація

Вступ

Використання глобальних супутникових навігаційних систем знаходить все більше можливостей у застосуванні для визначення місцерозташування в системах відслідковування рухомих об'єктів. Стрімкий розвиток та розповсюдження сучасних систем супутникового моніторингу тісно пов'язані з підвищенням достовірності та точності отримуваних навігаційних даних. Тема застосування глобальних систем супутникової навігації є актуальною та перспективною в області моніторингу місцерозташування рухомих об'єктів. Навігаційні системи мають досить широкий спектр застосування у будь-якій області корисній для користувача. Використання засобів обробки навігаційних даних в складних моніторингових системах дозволяє зменшити обсяг інформації, що передається, та підвищити точність позиціонування. Фільтрація даних полягає у позбавленні від надлишкових даних, що не надають корисної інформації про становище рухомого об'єкта, а також у відсіві викидів, що призводять до спотворень даних.

Об'єкт дослідження - навігаційні системи.

Мета роботи - дослідження методу обробки навігаційних даних з метою підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта та достовірності отримуваної інформації.

Тема застосування глобальних систем супутникової навігації є актуальною та перспективною в області моніторингу місцерозташування рухомих об'єктів. Навігаційні системи мають досить широкий спектр застосування у будь-якій області корисній для користувача. Розвиток та розповсюдження сучасних систем супутникового моніторингу тісно пов'язані із підвищенням точності та достовірності прийнятих навігаційних даних. В даний час широко використовуються сервіси GPSтрекінгу, завданням яких є відстеження маршрутів спостережуваних об'єктів з метою їх збереження, подальшого аналізу та обробки, а персональний GPSмоніторинг використовується в багатьох сферах діяльності, тому проблема обробки великої кількості навігаційних даних є актуальною. Результати роботи впроваджені на комерційному базисі. Прогнозовані перспективи для подальшого розвитку - використання альтернативних, спарених та реалізація нових засобів і технік для обробки навігаційних даних.

1. Історія створення супутникової системи навігації GPS

Ідея реалізації навігаційної супутникової системи виникла у 50-х роках минулого століття. Американські вчені під час спостереження за сигналом отримуваного від супутника виявили, досить специфічне явище. Полягало воно у тому, що при наближенні космічного апарату до Землі збільшується частота сигналу, і навпаки при віддаленні - зменшується, що відбувається завдяки ефекту Доплера. Сенс відкриття полягав в тому, що, знаючи координати розташування об'єкта на планеті, є можливість визначення положення і швидкості навігаційного супутника. А якщо відомо координати навігаційного супутника, тоді є безперечний факт визначення власних координат і швидкості пересування. Після цього відкриття вченими розпочалася робота над імплементацією першого прототипу. Можливість реалізації з'явилася тільки у 1973 році, коли була розроблена програма DNSS. Пізніше назва була змінена на Navstar-GPS, і тільки потім система супутникової навігації отримала звичну для нас назву - GPS. Перший супутник був виведений на орбіту влітку 1974 року. І тільки до 1993 року запустили останній 24-й супутник, який закривав повноцінне покриття земної поверхні. Саме тоді глобальну систему супутникової навігації повноцінно взяли на озброєння. У військових з'явилася можливість використовувати дану навігаційну систему для наведення ракет на нерухомі наземні об'єкти. Після вдосконалення даної системи, з'явилася можливість наведення і на рухомі об'єкти. Під час створення, глобальна система позиціонування розроблялася для застосування тільки у військових цілях. Але після інциденту, що стався 1983 року, коли літак Корейських авіаліній, на борту якого перебували 293 пасажири, під час вторгнення в радянський повітряний простір був збитий, президент США Рональд Рейган дав змогу частково застосовувати системи навігації для цивільних цілей. Але при цьому американські вчені навмисно зменшили точність визначення місцерозташування, щоб не допустити використання даної системи супутникової навігації у військових цілях іншими користувачами. У 2000 році указом президента США було скасовано навмисне загрублення точності супутникової навігаційної системи після появи інформації про розшифровку алгоритму, за допомогою якого вчені навмисно зменшували точність на частоті L1. Космічні апарати рухаються по шести кругових траєкторіях орбіти Землі, висота яких досягає ~ 20180 км. Випромінювання сигналів відбувається в таких діапазонах: L2 = 1227,60 МГц, а L1 = 1575,42 МГц, а група IIF може випромінювати на L5 = 1176,45 МГц. Прийом навігаційних даних здійснюється тільки при безпосередній наявності супутника «в небі» і обробляються вони на стороні клієнта за допомогою приймача GPS. Військові структури мають доступ до додаткових частот, чинним в діапазонах каналів L1/L2. 16 На орбіті постійно обертається угрупування із 30 супутників, завдяки котрому забезпечується стовідсоткова працездатність всієї системи, незалежно від місцерозташування рухомого об'єкта-приймача на земній кулі. Але при взаємодії усіх компонентів системи, вони не завжди здатні забезпечувати прийнятний розрахунок місцерозташування і впевнений прийом сигналу. Для того щоб уникнути перебоїв у навігаційній системі, необхідно виводити на ремонт діючі сателіти, а також для збільшення точності позиціювання в цілому, на орбіті обертаються кілька запасних супутників. Після запуску супутників блоку IIF, була введена частота L5 (1176.45 МГц). L5 отримала розповсюджену назва Safety Of Life («безпека життя людини»). Сигнал L5 на 3 дБ потужніше за цивільний, а смуга його пропускання у 10 разів ширша. Використовується даний тип сигналу тільки під час критичних ситуацій, в яких є безпосередній зв'язок із загрозою для життя людини.

2. Принцип роботи супутникової навігаційної системи

Загальний принцип роботи супутникової системи навігації GPS грунтується на використанні космічного угруповання з 30 космічних апаратів, яка крім 27 діючих складається ще, на випадок виходу з ладу одного з основних, та із 3 запасних сателітів. Розмір робочої орбіти навігаційних супутників дорівнює близько 19 000 км. За 1 добу кожен космічний апарат робить два повних оберти навколо Землі. Налаштоване угруповання супутників таким чином, щоб забезпечувати неперервний прийом сигналу у будь-якій точці земної поверхні, як мінімум, чотирьома сателітами. Тобто, саме мінімальною кількістю, котре необхідне для визначення точного місцерозташування рухомого об'єкта. GPS-приймач розраховує своє місцерозташування по відношенню лише до видимих супутників. Чим більша кількість видимих у небі супутників і чим сильніше буде рівень сигналу, що надходить від них - тим точніше будуть результати визначення координат клієнта. При звичайному використанні користувач отримує дані з 6-12 супутників. Визначення відстані до кожного супутника визначається по затримці передачі сигналу. Далі, отримавши просторові координати 3 точок і 3 відстаней до шуканої точки, знаходить місцезнаходження приймача на площині. Оскільки система супутникової навігації працює у просторі, а не на площині, то необхідна наявність четвертого супутника, котрий дозволяє однозначно визначити координати точки в тривимірному просторі. У порівнянні з рішенням теоретичного геометричного завдання, практичне визначення відрізняється ще й тим, що існують похибки визначення відстані до супутників, котрі призводять до того, що результатом визначення виявиться не певна точка, а область деякого радіуса, в якій знаходиться пристрій. Проте, збільшення кількості видимих супутників призведе до зменшення цього радіусу, а точність визначення місцерозташування зростає. На практиці, глобальна супутникова система навігації в цивільному виконанні забезпечує точність з радіусом близько 30 метрів. Основним принципом використання системи є визначення місцерозташування шляхом вимірювання моментів часу прийому синхронізованого сигналу від навігаційних супутників антеною споживача. Для визначення тривимірних координат GPS-приймача потрібно мати чотири рівняння: «відстань дорівнює добутку швидкості світла на різницю моментів прийому сигналу споживачем і моменту його синхронного випромінювання від супутників»:

? = ( ?ф ) j j x a c t,

де aj - місцерозташування j-го супутника, tj - момент часу прийому сигналу від j-го супутника по годиннику споживача, ф - невідомий момент часу синхронного випромінювання сигналу усіма супутниками по годинах споживача, c - швидкість світла, x - невідоме тривимірне положення споживача. Для точного визначення місцерозташування необхідно отримати дані з чотирьох супутників. Припустимо, що нам відома величина відстані від одного супутника до приймача. Візуалізуючи коло навколо супутника, видно положення приймача на поверхні сфери (Малюнок 1.2 А)

Накладаючи дані, котрі отримуються зі ще одного супутника, утворюється геозона на перетині двох сфер, в якій знаходиться приймач (Малюнок 1.2 Б). Таким чином, звужується сектор пошуку до перетину двох кіл. Наступною ітерацією накладається інформація з третього космічного апарату. Третій вимір дає дві точки, в одній з яких знаходиться приймач (Малюнок 1.2 В). Заключним етапом є накладення четвертого виміру поверх інших. На малюнку 1.2 Г відображена точка координат, отримана при перетині чотирьох сфер.

На рисунку 1.3 зображено «вдале» розташування сателітів, котре дозволить стовідсотково визначити місцерозташування об'єкта. Для тестування і знаходження мінімальної кількості супутників для точного визначення місцерозташування (3D FIX) було використано додаток «GPS Test». У практичній реалізації Android програми «GPS Test» (Chartcross Limited) (Малюнок 1.3) візуалізовані дані про кількість видимих і використовуваних супутників і їх положення в небі, рівні сигналу - відношення потужності корисного сигналу до потужності шуму і поточні координати приймача. У реальних умовах для зменшення коефіцієнта геометричного зниження точності необхідно, як мінімум, 6 супутників.

Візуалізація даних, одержуваних приймачем

3. Системи навігації

Навігація (лат. navigatio, від navigo - плисти на судні) - слово, яке прийшло з морського транспорту, де цей термін має ряд значень (мореплавання, судноплавство; період часу в році; основний розділ судноводіння), де розробляються теоретичні обгрунтування і практичні прийоми водіння судів. Існує також навігація повітря.

База сучасної навігації закладена на основі:

· - винаходу магнітної стрілки для визначення курсу судна;

· - складання топографічних карт в прямій рівнокутній циліндричній проекції;

· - винаходу механічного лага;

· - розвитку фізики і створення елекгронавігаційних приладів і радіотехнічних засобів судноводіння

· - математичних і навігаційних наук.

Сьогодні спільною працею наукових установ створені Системи Реалізації Навігаційних Обчислень (СРНВ). Їх основною операцією є визначення просторово-часових координат, що передбачене концепцією незалежної навігації, згідно якої, визначення навігаційних параметрів повинне проводитися безпосередньо в апаратурі споживача. Це системи типу GPS або ГЛОНАСС, де перелік характеристик підсистем, структури і способи функціонування визначають:

· - необхідна якість навігаційного забезпечення:

· - вибрана концепція навігаційних вимірювань.

Такі властивості якості СРНВ, як безперервність і висока точність навігації вимагають від СРНВ обов'язкової наявності трьох складових:

· 1 - система космічних апаратів у вигляді мережі навігаційних супутників:

· 2 - система контролю і управління у вигляді наземних командно- вимірювальних комплексів:

· 3 - апаратура споживача або "приймача".

Тому СРНВ в цілому - це комплексна електронно-технічна система, що складається з сукупності наземного і космічного устаткування, призначена для визначення місцеположення (географічних координат та висоти) і точного часу, а також параметрів руху (швидкості та напряму руху і так далі) для наземних, водних і повітряних об'єктів. Її основними елементами є (рис. 4.18):

· - орбітальне угруповання, що складається з декількох (2...30од.) супутників, випромінюючих спеціальні радіосигнали (космічний сегмент):

· - опціонно-наземна система радіомаяків, що дозволяє значно підвищити точність визначення координат:

· - наземна система управління і контролю (контрольний сегмент), що включає блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для корегування інформації про орбіти;

· - опціонально-інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок. що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.

· - приймальне клієнтське обладнання ("супутникові навігатори"), що використовується для визначення координат, тобто сегмент призначений для користувача;

Наприклад, система GPS (офіційна назва - NA VSTAR), має наступні характеристики основних складових:

· 1 - орбітальне угрупування з 24од. (+ 3од. резервних) супутників Block І, Block ІІ/ІІ-A, Block ІІ-R і Block II-М., що обертаються на 6-ти орбітах з віддаленням від Землі на 17000км, де вага кожного супутника - 900кг, діаметр з розкритими сонячними батареями - 5м, а потужність передавача - 50Ват;

· 2 - наземний сегмент з 6-ти од. контрольних станцій відстежування, що належать національному управлінню картографії США (N1MA) і 5-ти од. контрольних станцій відстежування і головної станції управління, що належать Міністерству оборони США, розташованих в різних точках Землі;

· 3 - апаратура користувача, яка має різну вартість, працює в смузі радіочастот L-діапазону від 390 до 1580МГц і має в своєму розпорядженні сигнали двох частот (LI - частота 1575,42МГц; L2 - частота 1227,6МГц).

На частоті L2 випромінюються сигнали високоточної інформації із захищеним військовим кодом Р (precision - точний). На L1 - сигнали як з військовим кодом Р, так і із загальнодоступним цивільним кодом (civilian code), який називають C/A(Clear Acquisition), - код вільного доступу.

Сучасний рівень електроніки, ПЗ і методів обробки навігаційної інформації на основі автоматичного наземного режиму диференціальної корекції (differential positioning) забезпечує точність визначення координат для споживача:

· - від 2 до 5м в системах цивільних;

· - від 1 до 10мм в системах військових.

Російсько навігаційна система ГЛОНАСС - аналогічна по своїй побудові американській, проте має вищу точність визначення координат споживача. Вона складається з 24од. супутників, розташованих на орбітах, які нахилені під кутом 64,80° і віддалені від Землі на відстані 19100км. Вага супутників "ГЛОНАСС-М" - 1415 кг, а "ГЛОНАСС-К" -850кг.

Європейська система Galileo спочатку призначалася лише для цивільних цілей, але прийнята в 2008р. резолюція Євросоюзу "Значення космосу для безпеки Європи" допускає використання супутникових сигналів для деяких військових операцій. Сьогодні це 27од. (+Зод. резервних) супутників і три наземні центри управління.

Китайська система космічної радіонавігації Beidou також призначена для військових і цивільних цілей, а її відмітною особливістю є надання споживачам важливої комерційної послуги - обміну між собою невеликими текстовими повідомленнями. Beidou складається з ЗОод. супутників, розташованих на похилих орбітах і 5-од. на орбіті геостаціонарній. Одним з перших глобальних транспортних проектів системи Beidou в цивільних цілях був контроль дорожнього руху під час проведення "Олімпіади-2008" в Пекіні.

Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відоме з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається "альманахом", який має в своєму розпорядженні кожен супутниковий приймач до початку вимірювань. Приймач зберігає "альманах" в своїй пам'яті з часу свого останнього виключення і якщо "альманах" не застарів, то миттєво використовує його. Кожен супутник передає в своєму сигналі весь "альманах". Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі "альманаху", можна обчислити положення об'єкту в просторі.

Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначенні швидкості розповсюдження радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу поширюваного радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу, використовуючи точно синхронізований з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізується з системним часом, і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, шо міститься в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цю інформацію, навігаційний приймач обчислює координати антени. Решта всіх параметрів руху (швидкість, курс, пройдена відстань) обчислюється на основі вимірювання часу, який об'єкт витратив на переміщення між двома або більш точками з певними координатами.

Робота системи навігації в реальності відбувається значно складніше, оскільки існують деякі проблеми, що вимагають спеціальних технічних прийомів по їх вирішенню. Основними проблемами є:

· - неоднорідність гравітаційного поля Землі, що впливає на орбіти супутників;

· - неоднорідність атмосфери, із-за якої швидкість і напрям розповсюдження радіохвиль може мінятися в деяких межах;

· - віддзеркалення сигналів від наземних об'єктів, що особливо помітно в місті;

· - неможливість розмістити на супутниках передавачі великої потужності, із-за чого прийом їх сигналів можливий тільки в прямій видимості на відкритому просторі;

· - відсутність атомного годинника в більшості навігаційних приймачів, що зазвичай усувається отриманням інформації не менше чим з трьох (2-х мірна навігація при відомій висоті) або з чотирьох (3-х мірна навігація) супутників (за наявності сигналу хоч би з одного супутника можна визначити поточний час з хорошою точністю).

Тому в даний час йде розвиток систем геостаціонарного доповнення для всіх навігаційно-геодезичних систем, тобто систем GPS і ін. Системи доповнення називають широкодонними системами супутникової диференціальної навігації SB AS (Satellite based Augmentation System). Вони дозволяють розширити зону, яку можна забезпечити диференціальними поправками (один геостаціонариий супутник може забезпечити поправками територію рівну за площею однієї третини від всієї поверхні Землі). У таких системах реалізовано принципово інший метод формування корекцій і передачі інформації всім користувачам через геостаціонарний супутник (рис. 4.19).

Новий підхід SB4S не вимагає будь-якого додаткового устаткування до судового приймача (наприклад, наявність радіомодему). Завдання вирішується шляхом зміни програмного коду. Наприклад, сьогодні створене самонавчальне ПЗ - Navsop, яке працює за допомогою звичайного супутникового приймача і супутникової антени.

По конструктивному виконанню антени GPS/ГЛОНАСС-приймачів бувають двох видів:

· - внутрішня (вбудована) антена - знаходиться всередині корпусу навігатора;

· - зовнішня антена - встановлюється зовні навігатора і з'єднується з ним кабелем.

При цьому, незалежно від конструктивного виконання, антени всіх приймачів розрізняються за принципом прийому радіосигналів і бувають двох типів: плоска (Patch) антена; спіралевидна (Helix) антена.

Проте якість прийому навігаційних сигналів залежить не тільки від типу і конструкції антени, але і чіпсету приймача.

Чипсет (англ. chipset) - набір мікросхем, спроектованих для спільної роботи з метою виконання яких-небудь функцій.

Чипсет визначає наступні характеристики приймачів (навігаторів):

· - час пошуку супутників після вмикання;

· - можливість обчислення координат навігатора по відбитих сигналах від супутників (в умовах високих гір і густої рослинності, туристичні навігатори роблять це гірше ніж автомобільні);

· - можливість використання растрових карт великого розміру з високою деталізацією (що вимагають багато місця на диску);

· - якість графіки на дисплеї;

· - швидкодія, тобто використання карт пам'яті (для зберігання декількох навігаційних карт і пройдених маршрутів) і так далі.

4. Навігаційна система глобального позиціювання GPS

Супутникова навігаційна система глобального позиціювання на базі часових та віддалемірних вимірювань дозволяє визначати координати точок, місцеположення рухомого об'єкта та його швидкість, обчислювати відстань й напрямок до пункту, час прибуття й віддалення від заданого курсу. Ця система замість геодезичних знаків і радіомаяків використовує супутники, що випромінюють спеціальні сигнали. Поточне місцеположення супутників, що знаходяться на високих орбітах (20 000 км), добре відомо. Супутники постійно передають інформацію про своє місцеположення. Відстань до них визначається шляхом вимірювання проміжку часу, який потрібний радіосигналу, щоб дійти від супутника до радіоприймача, та множенням його на швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль. Точність вимірювання відстаней до супутників забезпечується шляхом синхронізації годинників супутників, в яких використовують атомні еталонні генератори частоти.

Для визначення відстаней супутники й приймачі генерують складні двійкові кодові послідовності, що називаються псевдо випадковим кодом. Визначення часу розповсюдження сигналу відбувається шляхом порівняння запізнювання псевдокоду супутника по відношенню до такого ж коду приймача. Кожний супутник має певні, свої власні два псевдовипадкових коди. Щоб розрізняти віддалемірні коди та інформаційні повідомлення різних супутників, в приймачі відбувається виклик відповідних кодів. Псев- довипадкові віддалемірні коди та інформаційні повідомлення супутників виконують передавання повідомлень з усіх супутників одночасно, на одній частоті та без взаємних перешкод.

Навігаційна система GPS складається з трьох сегментів: космічного, сегмента контролю й сегмента користувача. Космічний сегмент включає більше двох десятків супутників, що знаходяться на декількох орбітах. Сегмент контролю - це станції спостереження, що розміщені в декількох точках Землі, й головна контрольна станція. Станції спостереження слідкують за супутниками, записують всю інформацію про їх рух. Ця інформація передається на головну станцію для корегування орбіт супутників й навігаційної інформації. Сегментом користувача є приймачі GPS.

Приймачі навігаційного обладнання GPS мають такі особливості: унікальні алгоритми слідкування за супутниками, зручний графічний інтерфейс, компактність та незначне споживання електроенергії.

Приймач eTrex - найменший - 12 каналів, його алгоритм дозволяє швидко й просто орієнтуватися на місцевості й прокладати маршрути, відмічати точки шляху та визначати швидкість свого руху. Дисплей з анімацією дозволяє постійно контролювати місцеположення.

Картографічна система eMap, що містить інформацію про міста, основні річки й озера, автомобільні дороги всіх країн світу, зручна для пошуку необхідних міст й маршрутних точок. Вона дозволяє вимірювати відстані до пунктів призначення, зберігати чи виводити інформацію про точки й маршрути, карти пам'яті для картографічної підкладки.

Персональний навігаційний приймач GPS II PLUS має вмонтовані функції-таймер руху з автоматичним відключенням при зупинках, можливість обчислення середньої та максимальної швидкості руху по маршруту, а також має клавіші для зміни масштабу рухомої карти. Він містить інформацію про основні міста світу, а його компактний корпус дозволяє переносити прилад в руці.

Персональний навігаційний приймач GPS III PLUS, на відміну від приймача GPS II PLUS, має картографічну підкладку, що виключає інформацію про основні міста, ріки, озера, залізниці та автомобільні дороги світу. Також є інформація про берегову лінію шириною 20 морських миль. Приймач може відображувати геоінформацію з масштабуванням зображення від 150 м до 9 000 км.

Размещено на Allbest.ru