Супутниковою навігацією користуються водії, велосипедисти, туристи - навіть любителі ранкових пробіжок відстежують власний маршрут за допомогою супутників. Замість того щоб розпитувати перехожих, як знайти потрібний будинок, більшість воліють дістати смартфон і поставити це питання ГЛОНАСС або GPS. Незважаючи на те, що модулі супутникової навігації встановлені в кожному смартфоні і в більшості спортивних годин, тільки одна людина з десяти розуміє, як працює ця система і як в море девайсів з функціями GPS / ГЛОНАСС знайти підходящий.

Як влаштована супутникова навігаційна система

Абревіатура GPS розшифровується як Global Positioning System: «система глобального позиціонування», якщо перекладати дослівно. Ідея використовувати супутники на навколоземній орбіті для визначення координат наземних об'єктів з'явилася в 1950-ті, відразу після того, як Радянський Союз запустив перший штучний супутник. Американські вчені відстежували супутниковий сигнал і виявили, що його частота змінюється, коли супутник наближається чи віддаляється. Тому, знаючи свої точні координати на Землі, можна обчислити і точне розташування супутника. Це спостереження і дало поштовх для розробки глобальної системи розрахунку координат.

Спочатку відкриттям зацікавився флот - розробку початку військово-морська лабораторія, але з часом було вирішено створити єдину системудля всіх збройних сил. Перший супутник GPS вивели на орбіту 1978-му. Зараз сигнали передають близько тридцяти супутників. Коли навігаційна система запрацювала, військові відомства США зробили подарунок всім жителям планети - відкрили вільний доступ до супутників, так що кожен може користуватися Global Positioning System безкоштовно, був би приймач.

Слідом за американцями Роскосмос створив свою систему: перший супутник ГЛОНАСС вийшов на орбіту в 1982 році. ГЛОНАСС - Глобальна навігаційна супутникова система, що працює за тим же принципом, що і американська. Зараз на орбіті перебувають 24 російських супутника, які забезпечують координування.

Щоб скористатися однією з систем, а краще двома одночасно, потрібен приймач, який буде отримувати сигнали від супутників, а також комп'ютер для розшифровки цих сигналів: місце розташування об'єкта обчислюється, виходячи з інтервалів між отриманими сигналами. Точність обчислень - плюс-мінус 5 м.

Чим більше супутників «бачить» пристрій, тим більше інформаціїможе надати. Для визначення координат навігатора досить побачити всього два супутника, але якщо він запеленгують хоча б чотири супутники, девайс зможе повідомити, наприклад, швидкість пересування об'єкта. Тому сучасні навігаційні пристрої зчитують все більше параметрів:

• Географічні координати об'єкта.
• Швидкість його пересування.
• Висоту над рівнем моря.

Які можуть виникнути похибки в роботі GPS / ГЛОНАСС

Супутникова навігація хороша тим, що доступна цілодобово з будь-якої точки планети. Де б ви не знаходилися, якщо у вас є приймач - ви зможете визначити координати і побудувати маршрут. Однак на практиці сигнал супутників можуть глушити фізичні перешкоди або погодні катаклізми: якщо ви проїжджаєте підземний тунель, а зверху ще й бушує шторм, сигнал може не «добити» до приймача.

Цю проблему вирішили за рахунок технології A-GPS: вона передбачає, що приймач звертається через альтернативні канали зв'язку до сервера. Той, в свою чергу, використовує дані, отримані від супутників. Завдяки цьому можна користуватися навігаційною системою в приміщеннях, тунелях, в негоду. Технологія A-GPS розрахована на смартфони та інші персональні пристрої, тому, вибираючи навігатор або смартфон, уточнюйте, чи підтримує він цей стандарт. Так ви зможете бути впевненими, що пристрій не підведе у відповідальний момент.

Власники смартфонів іноді скаржаться, що навігатор працює не точно або періодично «відключається», не визначає координати. Як правило, це пов'язано з тим, що в більшості смартфонів функція GPS / ГЛОНАСС за замовчуванням відключена. Для розрахунків координат пристрій використовує стільникові вишки або бездротовий інтернет. Проблема вирішується налаштуванням смартфона, активацією потрібного способу визначення координат. Також може знадобитися калібрування компаса або скидання налаштувань навігатора.

види навігаторів

• Автомобільні. Навігаційні система, зав'язана на супутниках ГЛОНАСС або їх американських аналогах, може бути частиною бортового комп'ютера авто, але частіше купують окремі пристрої. Вони не тільки визначають координати машини і дозволяють без проблем дістатися з пункту А в пункт Б, але також захищають від угону. Навіть якщо зловмисники поженуть машину, її можна буде відстежити по маячки. Плюс спеціальних пристроїв для авто ще й в тому, що вони передбачають установку антени - за рахунок антени можна посилити ГЛОНАСС-сигнал.
• Туристичні. Якщо в автомобільний навігатор можна встановити спеціальний набір карт, то до туристичних пристроїв пред'являються більш суворі вимоги: сучасні моделі допускають використання розширеного набору карт. Однак найпростіший туристичний девайс - це тільки приймач сигналу з найпростішим комп'ютером. Він може навіть не відзначати координати на карті, і тоді буде потрібно паперова карта з навігаційної сіткою. Втім, зараз такі пристрої купують тільки з міркувань економії.
• Смартфони, планшети з GPS / ГЛОНАСС-приймачем. Смартфони також дозволяють завантажити розширений набір карт. Їх можна використовувати, як автомобільні та туристичні навігатори, головне - встановити додаток і завантажити необхідні карти. Багато з корисних навігаційних програм - безкоштовні, але за деякі потрібно заплатити невелику суму.

Навігаційні програми для смартфонів

Одна з самих простих програм, Розрахованих на тих, хто не хоче вникати в функціонал: MapsWithMe. Вона дозволяє завантажити з мережі карту потрібного регіону, щоб потім користуватися нею, навіть якщо з'єднання з інтернетом не буде. Програма покаже місце розташування на карті, відшукає відмічені на цій карті об'єкти - їх можна зберігати в закладки і користуватися потім швидким пошуком. На цьому функціонал вичерпується. Програма використовує тільки векторні карти - інші формати завантажити не можна.

Власники пристроїв на Android можуть скористатися програмою OsmAnd. Вона підходить водіям і пішохідним туристам, оскільки дозволяє автоматично прокласти маршрут по автодорогах або гірських стежках. ГЛОНАСС-навігатор буде вести вас по маршруту голосовими командами. Крім векторних карт, можна використовувати растрові, а також відзначати шляхові точки і записувати треки.

Найближча альтернатива OsmAnd - додаток Locus Map. Воно підійде для пішохідних туристів, оскільки нагадує класичне навігаційний пристрій для туристів, які були в ходу до появи смартфонів. Використовує і векторні, і растрові карти.

Туристичні пристрої

Смартфони і планшети можуть замінити спеціальне GPS / ГЛОНАСС-пристрій для туризму, але у такого рішення є свої недоліки. З одного боку, якщо є смартфон, не потрібно купувати ніяких додаткових девайсів. На великому яскравому екрані легко працювати з картою, вибір додатків шірокійо - ми вказали лише кілька програм, охопити всі пропозиції неможливо. Але у смартфона є і недоліки:

• Швидко розряджається. В середньому пристрій працює добу, а в режимі постійного пошуку координат - і того менше.
• Вимагає дбайливого звернення. Звичайно, існують захищені смартфони, але крім того, що вони дорогі, надійність такого смартфона все одно не зрівняється зі спеціальним туристичним ГЛОНАСС-пристроєм. Воно може бути повністю водонепроникним.

Для багатоденних походів по дикій місцевості розроблені спеціалізовані пристрої, у вологозахищених корпусах і з потужними акумуляторами. Однак при виборі такого приладу важливо уточнювати, щоб він підтримував і векторні, і растрові карти. Растрова карта - це зображення, прив'язане до координат. Ви можете взяти паперову карту, відсканувати її, зв'язати з координатами ГЛОНАСС - і вийде растрова карта. Векторні картки - не картинка, але набір об'єктів, які програма розміщує на зображенні. Система дозволяє запустити пошук по об'єктах, але самостійно створити подібну схему складно.

Сьогодні важко знайти сферу соціально-економічного розвитку, в якій не могли б використовуватися послуги супутникової навігації. Найбільш актуальним залишається застосування ГЛОНАСС-технологій у транспортній галузі, включаючи морське і річкове судноплавство, повітряний і наземний транспорт. При цьому, за даними експертів, близько 80% навігаційного обладнання застосовується на автомобільному транспорті.

НАЗЕМНИЙ ТРАНСПОРТ

Одна з основних областей застосування супутникової навігації - моніторинг транспорту. Ця послуга найбільш важлива для промислових, будівельних, транспортних підприємств. Навігаційне обладнання, що приймає сигнали системи ГЛОНАСС, дозволяє визначити місце розташування автомобіля, показання вимірювальних датчиків можуть забезпечувати як безпеку пасажирських перевезень, так і зручність і оптимізацію експлуатації комерційного транспорту, виключити його нецільове використання. Впровадження системи дозволяє власникам автопарків за 4-6 місяців скоротити витрати на їх обслуговування на 20-30%.

Одна з технологій, що реалізуються в Росії на основі супутникової навігації - Інтелектуальна транспортна система (ІТС). Вона включає в себе моніторинг перевезення небезпечних, великогабаритних та великовагових вантажів, контроль режиму праці і відпочинку водіїв, управління і диспетчеризацію пасажирських перевезень, інформування пасажирів міського транспорту.

Ефективність застосування послуг супутникової навігації на наземному транспорті можна оцінювати за такими критеріями як:

• зниження числа дорожньо-транспортних пригод, а також загиблих і постраждалих під час ДТП, зниження часу реагування на ДТП;
• зниження часу перебування в дорозі, підвищення привабливості громадського транспорту;
• підвищення якості витрачання бюджетних коштів.

За оцінками фахівців, за рахунок впровадження інтелектуальних транспортних систем зростання ВВП Росії може скласти 4-5% в рік.

Моніторинговими і навігаційно-інформаційними технологіями на базі послуг системи ГЛОНАСС оснащені муніципальний і суспільний транспорт Алтайського, Краснодарського, Красноярського, Ставропольського, Хабаровського країв, Астраханської, Білгородської, Вологодської, Калузької, Курганської, Магаданської, Московської, Нижегородської, Новосибірської, Пензенської, Ростовської, Самарської , Саратовської, Тамбовської, Тюменської областей, Москви, республік Мордовія, Татарстан, Чувашія. В цілому по Росії елементи ІТС реалізовані і ефективно працюють більш ніж в 100 містах.

ПОШУК І РЯТУВАННЯ

Устаткування, що приймає сигнали навігаційних супутників, встановлюється на автомобілях швидкої медичної допомоги, А також транспортні засоби служб МНС. Координатно-тимчасове забезпечення на основі супутникових даних дозволяє більш оперативно прибувати бригадам медиків і рятувальників до місць надзвичайних подій для надання допомоги постраждалим. За допомогою ГЛОНАСС відстежується розташування і пересування груп пожежних.

Один з показових прикладів застосування глобальної супутникової навігації в інтересах порятунку людських життів - система ЕРА-ГЛОНАСС (екстрене реагування при аваріях). Її основне завдання - визначення факту дорожньо-транспортної пригоди та передача даних на сервер реагування. При аварії автомобіля, встановлений на ньому навігаційно-телекомунікаційний термінал автоматично визначає координати, встановлює зв'язок з серверним центром системи моніторингу і передає дані про аварію по каналах стільникового зв'язкуоператору. Ці дані дозволяють визначити характер і тяжкість ДТП і здійснити негайне реагування машин швидкої допомоги. Застосування даних Глобальної навігаційної супутникової системи через ЕРА-ГЛОНАСС дозволяє значно знизити рівень смертності від травм, отриманих в результаті дорожніх аварій.

Ще одна область застосування ГЛОНАСС в інтересах порятунку людських життів - поєднання глобальної супутникової навігації з Міжнародною системою пошуку і рятування КОСПАС-САРСАТ. Ця функція передбачена на навігаційних космічних апаратах останнього покоління «Глонасс-К». Уже на етапі льотних випробувань супутник «Глонасс-К» № 11 в березні 2012 року через ретранслятор цієї системи передав сигнал лиха про потерпілого крах канадському вертольоті, завдяки чому екіпаж був врятований.

ПЕРСОНАЛЬНА НАВІГАЦІЯ

Чіпсети з навігаційними приймачами сигналів ГЛОНАСС використовуються в смартфонах, планшетах, цифрових камерах, Пристроях для фітнесу, носяться трекерах, портативних комп'ютерах, навігаторах, годинах, окулярах і інших пристроях. Персональна навігація стає основною сферою застосування технологій супутникової навігації.

Використання ГНСС-технологій сприяло появі абсолютно нових видів спорту та активного відпочинку. Прикладом цього є геокешинг - туристична гра із застосуванням супутникових навігаційних систем, сенс якої в знаходженні схованок, захованих іншими учасниками гри. Ще один новий вид спорту геотегінг - гонка по пересіченій місцевості за заздалегідь визначеними супутниковим координатами.

Перспективним напрямком застосування ГЛОНАСС-технологій є соціальні системи, Що передбачають допомогу людям з обмеженими можливостями здоров'я або малолітнім дітям. Використовуючи навігаційне обладнання з голосовим інтерфейсом, незряча людина може визначити свій шлях у магазин, поліклініку і т.д. Володарі подібних пристроїв можуть в разі виникнення небезпеки або різкого погіршення самопочуття викликати екстрену допомогу, натиснувши тривожну кнопку. Індивідуальний супутниковий трекер може допомогти батькам в режимі онлайн відстежувати місцезнаходження своєї дитини з метою контролю його безпеки.

АВІАЦІЯ

В авіації навігаційні приймачі інтегровані в бортові комплекси аеронавігаційного забезпечення, які забезпечують маршрутну навігацію і захід на посадку в складних метеорологічних умовах. Величезне значення супутникова навігація має для забезпечення посадки літаків малої авіації на необладнані аеродроми. Системи навігації на основі ГЛОНАСС підвищують безпеку вертолетовожденія, підвищують точність навігації безпілотних літальних апаратів.

ВОДНИЙ ТРАНСПОРТ

Використання ГНСС-технологій морського / річкового призначення в Росії прагне до 100%. Ємність російського ринку оцінюється в 18 560 одиниць водного транспорту, включаючи вантажні та пасажирські річкові та морські судна. Технології ГЛОНАСС застосовуються в судноплавстві при проводці суден і маневрування в складних умовах (шлюзи, порти, канали, протоки, льодова обстановка), навігації на внутрішніх водних шляхах, моніторингу та обліку флоту, рятувальних операціях.

Зростання обсягу перевезень по Північному морському шляху, який дозволяє істотно скоротити час доставки товарів з Азіатсько-Тихоокеанського регіону в Європу, призводить до підвищення інтенсивності судноплавства в районі з украй суворими кліматичними умовами. В умовах штормів і щільних туманів без супутникової навігації складно забезпечити безпеку руху суден.

ГЕОДЕЗІЯ І КАРТОГРАФІЯ

Технології ГЛОНАСС використовуються в міському та земельний кадастр, плануванні та управлінні розвитком територій, для оновлення топографічних карт. Використання технологій ГЛОНАСС прискорює і здешевлює процес створення карт і їх актуалізацію - в ряді випадків відпадає необхідність у дорогій аерофотозйомки або трудомісткою топографічної зйомки. В Російської Федераціїпоточний обсяг ринку геодезичного обладнання на базі ГНСС оцінюється в 2,3 тис. од.

ДОВКІЛЛЯ

Наукове співтовариство активно використовує навігаційні дані для спостережень і досліджень Землі. ГЛОНАСС сприяє розвитку методів і засобів, призначених для вирішення фундаментальних завдань геодинаміки, формування Земний системи координат, побудови моделі Землі, вимірювання припливів, течій і рівня моря, визначення та синхронізація часу, локалізації розливів нафти, рекультивації земель після поховань небезпечних відходів.

Навігаційні сигнали від космічних апаратів ГЛОНАСС грають важливу роль у вивченні сейсмічних процесів. За допомогою супутникових даних більш точно, ніж через наземне обладнання, можна фіксувати процеси зсуву тектонічних плит. Крім цього, обурення в іоносфері, зафіксовані за допомогою навігаційних супутників, дають вченим дані про наближення зрушення земної кори. Таким чином, глобальна супутникова навігація дозволяє прогнозувати землетрусу і мінімізувати їхні наслідки для людини. Технології на основі ГЛОНАСС допомагають також здійснювати контроль за автомобільними і залізницями на лавинонебезпечних ділянках в гірських місцевостях.

КОСМІЧНА НАВІГАЦІЯ

В космічній галузі технології ГЛОНАСС застосовуються для відстеження засобів виведення, високоточного визначення орбіт космічних апаратів, визначення орієнтації космічного апарату щодо Сонця, для точного спостереження, контролю та цілевказівки системам протиракетної оборони.

Зокрема, апаратурою супутникової навігації ГЛОНАСС або ГЛОНАСС / GPS оснащені: ракета-носій «Протон-М», ракета-носій «Союз», розгінні блоки «Бриз», «Фрегат», «ДМ», космічні апарати «Метеор-М» , «Іоносфера», «Канопус-СТ», «Кондор-Е», «Барс-М», «Ломоносов», а також залізничні рухливі комплекси, які використовуються для транспортування ракет-носіїв і компонентів ракетного палива.

В космічній галузі велика кількістьпроектів вимагають високоточної знання орбіт космічних апаратів при вирішенні задач дистанційного зондування Землі, розвідки, картографування, моніторингу льодової обстановки, надзвичайних ситуацій, а також в області вивчення Землі і світового океану, побудови високоточної динамічної моделі геоїда, високоточних динамічних моделей іоносфери і атмосфери. При цьому точність знання положення об'єктів потрібно на рівні одиниць сантиметрів, спеціальні методи обробки вимірювань системи ГЛОНАСС від приймачів, розташованих на борту космічного апарату, дозволяють успішно вирішити і цю задачу.

БУДІВНИЦТВО

У Росії технології ГЛОНАСС застосовуються при моніторингу будівельної техніки, а також моніторингу зсуву дорожнього полотна, моніторингу деформацій лінійних стаціонарних об'єктів, в системах управління дорожньо-будівельною технікою.

Послуги супутникової навігації допомагають у визначенні місця розташування географічних об'єктів з сантиметровою точністю при прокладці нафто- і газопроводів, ліній електропередач, уточнювати параметри місцевості при зведенні будівель і споруд, дорожньому будівництві. За оцінками вітчизняних і зарубіжних експертів, застосування ГЛОНАСС підвищує ефективність будівельних і кадастрових робіт на 30-40%.

Застосування послуг ГЛОНАСС дозволяє оперативно передавати інформацію про стан складних інженерних споруд, потенційно небезпечних об'єктів, таких як греблі, мости, тунелі, промислові підприємства, атомні електростанції. За допомогою супутникового моніторингу у фахівців своєчасно з'являються відомості про необхідність додаткового діагностування цих споруд та їх ремонту.

СИСТЕМИ ЗВ'ЯЗКУ

ГЛОНАСС використовується для тимчасового протоколювання грошових транзакцій по фондовому, валютному і сировинному дилінгу. Безперервний і точний спосіб реєстрації переказів і можливість їх відстеження є основою діяльності міжнародних торговельних систем міжбанківської торгівлі. Найбільші інвестиційні банки використовують ГЛОНАСС для того, щоб синхронізувати комп'ютерні мережі своїх підрозділів по всій Росії. Об'єднана біржа ММВБ-РТС використовує тимчасові сигнали ГЛОНАСС для точної реєстрації котирувань при здійсненні операцій. Апаратура ГЛОНАСС, застосовувана в інтересах телекомунікаційної інфраструктури, забезпечує вирішення завдань синхронізації мереж зв'язку.

ОЗБРОЄННЯ

Особливе значення система ГЛОНАСС має для ефективності вирішення завдань Збройними Силами та спеціальними споживачами. Система використовується для вирішення завдань координатно-часового забезпечення всіх видів і родів військ, в тому числі для підвищення ефективності застосування високоточної зброї, безпілотної авіації, оперативного управління військами.

Система ГЛОНАСС є найбільшим навігаційним комплексом, який дозволяє відстежувати місце розташування різних об'єктів. Проект, запущений у 1982 році, до цього дня активно розвивається і вдосконалюється. Причому робота ведеться як над технічним забезпеченням ГЛОНАСС, так і над інфраструктурою, яка дозволяє використовувати систему все більшій кількостілюдей. Так, якщо перші роки існування комплексу навігація за допомогою супутників використовувалася переважно в рішенні військових завдань, то сьогодні ГЛОНАСС - це технологічний інструмент позиціонування, який став обов'язковим в життєдіяльності мільйонів цивільних користувачів.

Глобальні системи супутникової навігації

З огляду на технологічної складності глобального супутникового позиціонування на сьогоднішній день повністю відповідати цій назві можуть лише дві системи - ГЛОНАСС і GPS. Перша є російською, а друга - плодом американських розробників. З технічної точки зору ГЛОНАСС - це комплекс спеціалізованого апаратного оснащення, розташованого і на орбіті, і на землі.

Для зв'язку з супутниками використовуються спеціальні датчики і приймачі, що зчитують сигнали і формують на їх основі дані про місцезнаходження. Для розрахунку часових параметрів застосовуються спеціальні Вони служать для визначення положення об'єкта з урахуванням трансляції та обробки радіохвиль. Скорочення похибок дозволяє забезпечувати більш достовірний розрахунок параметрів позиціонування.

Функції супутникової навігації

В спектр завдань глобальних систем супутникової навігації входить визначення точного місця розташування наземних об'єктів. Крім географічного положення, глобальні навігаційні супутникові системи дозволяють враховувати час, шлях слідування, швидкість та інші параметри. Реалізуються ці завдання за допомогою супутників, що знаходяться в різних точках над земною поверхнею.

Застосування глобальної навігації використовується не тільки в транспортній галузі. Супутники допомагають в пошуково-рятувальних операціях, виконання геодезичних та будівельних робіт, а також без них не обходиться координація і обслуговування інших космічних станцій і апаратів. Військова галузь також не залишається без підтримки системи подібних цілей забезпечує захищений сигнал, призначений спеціально для авторизованої апаратури Міністерства оборони.

система ГЛОНАСС

Повноцінну роботу система почала лише в 2010 р, хоча спроби ввести комплекс в активну роботу робилися з 1995 р Багато в чому проблеми були пов'язані з низькою довговічністю використовуваних супутників.

На даний момент ГЛОНАСС - це 24 супутники, які працюють в різних точках орбіти. В цілому навігаційну інфраструктуру можна уявити трьома компонентами: керуючий комплекс (забезпечує контроль угруповання на орбіті), а також навігаційні технічні коштикористувачів.

24 супутника, кожен з яких має свою постійну висоту, розподілені на кілька категорій. На кожне півкуля доводиться по 12 супутників. За допомогою супутникових орбіт над поверхнею землі формується сітка, за рахунок сигналів якої визначаються точні координати. Крім цього, супутниковий ГЛОНАСС має і кілька резервних об'єктів. Вони також знаходяться кожен на своїй орбіті і не діють. До кола їх завдань входить розширення покриття над конкретним регіоном і заміна виходять з ладу супутників.

система GPS

Американський аналог ГЛОНАСС - це система GPS, яка починала свою роботу також в 1980-е, але тільки з 2000 року точність визначення координат уможливив її широке розповсюдженнясеред споживачів. На сьогоднішній день супутники gpsгарантують точність до 2-3 м. Затримка в розвитку можливостей навігації довгий часбула обумовлена ​​обмеженнями позиціонування штучного характеру. Проте їх зняття дозволило з максимальною точністю визначати координати. Навіть за умови синхронізації з мініатюрними приймачами досягається результат, відповідний ГЛОНАСС.

Відмінності між ГЛОНАСС і GPS

Між навігаційними системами виділяється кілька відмінностей. Зокрема, є різниця в характері розстановки та рух супутників на орбітах. У комплексі ГЛОНАСС вони рухаються по трьом площинам (по вісім супутників на кожну), а в системі GPS передбачається робота в шести площинах (приблизно по чотири на площину). Таким чином, російська система забезпечує більш широке охоплення наземної території, що відбивається і в більш високої точності. Однак на практиці короткострокова «життя» вітчизняних супутників не дозволяє використовувати весь потенціал системи ГЛОНАСС. GPS, в свою чергу, підтримує високу точність за рахунок надмірної кількості супутників. Проте російський комплекс регулярно вводить нові супутники, як для цільового використання так і в якості резервної підтримки.

також застосовуються різні методикодування сигналу - американці використовують код CDMA, а в ГЛОНАСС - FDMA. При розрахунку приймачами даних для позиціонування російська супутникова система передбачає більш складну модель. В результаті для використання ГЛОНАСС необхідно високе споживання енергії, що відбивається в габаритах пристроїв.

Що дозволяють можливості ГЛОНАСС?

Серед базових завдань системи - визначення координат об'єкту, здатного взаємодіяти ГЛОНАСС. GPS в цьому сенсі виконує схожі завдання. Зокрема, розраховуються параметри руху наземних, морських і повітряних об'єктів. За кілька секунд транспортний засіб, забезпечене відповідним навігатором може обчислити характеристики власного руху.

При цьому використання глобальної навігації вже стало обов'язковим для окремих категорій транспорту. Якщо в 2000-х поширення супутникового позиціонування відносилося до контролю певних стратегічних об'єктів, то сьогодні приймачами забезпечуються морські і авіаційні суду, громадський транспорт і т. Д. В недалекому майбутньому не виключено і обов'язкове забезпечення ГЛОНАСС-навігаторами всіх приватних автомобілів.

Які пристрої працюють з ГЛОНАСС

Система здатна забезпечувати безперервне глобальне обслуговування всіх без винятку категорій споживачів незалежно від кліматичних, територіальних і тимчасових умов. Як і послуги системи GPS, ГЛОНАСС навігатор надається безкоштовно і в будь-якій точці планети.

Серед пристроїв, які мають можливість прийому супутникових сигналів, значаться не тільки бортові навігаційні засоби і GPS-приймачі, але також і стільникові телефони. Дані про місцезнаходження, напрямку і швидкості руху відправляються на спеціальний сервер по мережах GSM-операторів. У використанні можливостей супутникової навігації допомагає спеціальна програмаГЛОНАСС і різні додатки, які займаються обробкою карт.

комбіновані приймачі

Територіальне розширення супутникової навігації зумовило зрощування двох систем з точки зору споживача. На практиці пристрою ГЛОНАСС нерідко доповнюються GPS і навпаки, що підвищує точність позиціонування і часових параметрів. Технічно це реалізується за допомогою двох датчиків, інтегрованих в один навігатор. На основі цієї ідеї і виробляються суміщені приймачі, що працюють одночасно з системами ГЛОНАСС, GPS і супутньої апаратурою.

Крім підвищення точності визначення такий симбіоз уможливлює відстеження місця розташування, коли супутники однією з систем не уловлюються. Мінімальна кількість орбітальних об'єктів, «видимість» яких потрібно для роботи навігатора, становить три одиниці. Так, якщо, наприклад, програма ГЛОНАСС стає недоступною, то на допомогу прийдуть супутники gps.

Інші системи супутникової навігації

Розробкою проектів, подібних за масштабами з ГЛОНАСС і GPS, займається Європейський союз, а також Індія і Китай. планує реалізувати систему Galileo, що складається з 30 супутників, що дозволить домогтися неперевершеної точності. В Індії планується запуск системи IRNSS, що працює за допомогою семи супутників. Навігаційний комплекс орієнтується на внутрішньодержавне використання. Система Compass від китайських розробників повинна складатися з двох сегментів. Перший буде включати 5 супутників, а другий - 30. Відповідно, автори проекту припускають два формати обслуговування.

Системи супутникової навігації ГЛОНАСС і GPS. Частина 1

Е. Поваляев, С. Хуторний

Системи супутникової навігації ГЛОНАСС і GPS. Частина 1

Пропонуємо Вашій увазі цикл статей, присвячених супутниковим радіонавігаційним системам Глонасс (глобальна навігаційна супутникова система) і GPS (Global Positioning System). У першій статті циклу розглянуті питання побудови і функціонування систем, структура і функції апаратури споживача (приймачів), алгоритми вирішення навігаційного завдання і перспективи розвитку систем.

З давніх часів мандрівники задавалися питанням: як визначити своє місце розташування на Землі? Стародавні мореплавці орієнтувалися по зірках, що вказує напрямок руху: знаючи середню швидкість і час у дорозі, можна було зорієнтуватися в просторі і визначити відстань до кінцевого пункту призначення. Однак погодні умови не завжди були на руку дослідникам, тому збитися з курсу не становило особливих труднощів. З появою компаса завдання істотно спростилася. Мандрівник вже в меншій мірі залежав від погоди.

Ера радіо відкрила нові можливості перед людиною. З появою радіолокаційних станцій, Коли стало можливим вимірювати параметри руху і відносне розташування об'єкта по відбитому від його поверхні променю радіолокатора, постало питання про можливість вимірювання параметрів руху об'єкта по випромінюється сигналу. У 1957 році в СРСР група вчених під керівництвом В.А. Котельникова експериментально підтвердила можливість визначення параметрів руху штучного супутника Землі (ШСЗ) за результатами вимірювань допплерівського зсуву частоти сигналу, випромінюваного цим супутником. Але, що найголовніше, була встановлена ​​можливість розв'язання оберненої задачі - знаходження координат приймача за вимірюваним доплеровскому зрушення сигналу, випромінюваного з ШСЗ, якщо параметри руху і координати цього супутника відомі. При русі по орбіті супутник випромінює сигнал певної частоти, Номінал якої відомий на приймальній стороні (споживач). Положення ШСЗ в кожен момент часу відомо, точніше, його можна обчислити на підставі інформації, закладеної в сигналі супутника. Користувач, вимірюючи частоту прийшов до нього сигналу, порівнює її з еталонною і таким чином обчислює доплеровській зрушення частоти, обумовлений рухом супутника. Вимірювання проводяться безперервно, що дозволяє скласти свого роду функцію зміни частоти Доплера. У певний момент часу частота стає рівною нулю, а потім змінює знак. У момент рівності нулю частоти Доплера споживач знаходиться на лінії, яка є нормаллю до вектору руху супутника. Використовуючи залежність крутизни кривої доплеровской частоти від відстані між споживачем і ШСЗ і вимірявши момент часу, коли частота Доплера дорівнює нулю, можна обчислити координати споживача.

Таким чином, штучний супутник Землі стає радіонавігаційної опорної станцією, координати якої змінюються в часі внаслідок руху супутника по орбіті, але заздалегідь можуть бути обчислені для будь-якого моменту часу завдяки ефемеридної інформації, закладеної в навігаційному сигналі супутника.

У 1958-1959 рр. в Ленінградській військово-повітряної інженерної академії (ЛВВІА) ім. А.Ф. Можайського, Інституті теоретичної астрономії АН СРСР, Інституті електромеханіки АН СРСР, двох морських НДІ і Горьківському НІРФІ проводилися дослідження по темі "Супутник", що стали згодом основою для побудови першої вітчизняної низькоорбітального навігаційної супутникової системи "Цикада". І в 1963 році почалися роботи з побудови цієї системи. У 1967 році на орбіту був виведений перший вітчизняний навігаційний супутник "Космос-192". Характерною рисою радіонавігаційних супутникових систем першого покоління є застосування низькоорбітальних ШСЗ та використання для вимірювання навігаційних параметрів об'єкта сигналу одного, видимого в даний момент супутника. Надалі супутники системи "Цикада" були обладнані приймальні апаратурою виявлення терплять лиха об'єктів.

Паралельно з цим, після успішного запуску СРСР першого штучного супутника землі, в США в Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса проводяться роботи, пов'язані з можливістю вимірювання параметрів сигналу, випромінюваного супутником. За вимірами обчислюються параметри руху супутника щодо наземного пункту спостереження. Рішення оберненої задачі - справа часу.

На основі цих досліджень в 1964 році в США створюється доплеровская супутникова радіонавігаційна система першого покоління "Transit". Основне її призначення - навігаційне забезпечення пуску з підводних човнів балістичних ракет Поларіс. Батьком системи вважається директор Лабораторії прикладної фізики Р. Кершнер. Для комерційного використання система стає доступною в 1967 р Так само, як і в системі "Цикада", в системі "Transit" координати джерела обчислюються по доплеровскому зрушенню частоти сигналу одного з 7 видимих ​​супутників. ШСЗ систем мають кругові полярні орбіти з висотою над поверхнею Землі ~ 1100 км, період обертання супутників "Transit" дорівнює 107 хвилинам. Точність обчислення координат джерела в системах першого покоління значною мірою залежить від похибки визначення швидкості джерела. Так, якщо швидкість об'єкта визначена з похибкою 0,5 м, то це в свою чергу призведе до помилки визначення координат ~ 500 м. Для нерухомого об'єкту ця величина зменшується до 50 м.

Крім того, в цих системах неможливий безперервний режим роботи. З огляду на те, що системи нізкоорбітни, час, протягом якого супутник знаходиться в полі видимості споживача, не перевищує однієї години. Крім того, час між проходженням різних супутників зони видимості споживача залежить від географічної широти, на якій він знаходиться, і може скласти величину від 35 до 90 хвилин. Зменшення цього інтервалу шляхом нарощування числа супутників неможливо, тому що всі супутники випромінюють сигнали на одній і тій же частоті.

Отже, супутникові навігаційні системи другого покоління мають ряд суттєвих недоліків. В першу чергу - недостатня точність визначення координат динамічних об'єктів. До недоліку можна віднести також відсутність безперервності в вимірах.

Однією з основних проблем, що виникають при створенні супутникових систем, що забезпечують навігаційні визначення по декількох супутниках, є взаємна синхронізація сигналів (шкал часу) супутників з необ-ходимо точністю. Неузгодженість опорних генераторів супутників на 10 нс призводить до помилки у визначенні координат споживача 10-15 м. Другою проблемою, з якою зіткнулися розробники при створенні високоорбітальних супутникових навігаційних систем, стало високоточне визначення і прогнозування параметрів орбіт ШСЗ. Апаратура приймача, вимірюючи затримки сигналів від різних супутників, обчислює координати споживача.

Для цих цілей в 1967 році ВМС США була розроблена програма, по якій був здійснений запуск супутника TIMATION-I, а в 1969 році - супутника TIMATION-II. На борту цих супутників використовувалися кварцові генератори. У той же час, ВПС США паралельно вели свою програму по використанні широкосмугових сигналів, модульованих псевдошумовим кодом (PRN). Кореляційні властивості такого коду дозволяють використовувати одну частоту сигналу для всіх супутників, з кодовим поділом сигналів від різних супутників. Пізніше, в 1973 році дві програми були об'єднані в одну загальну під назвою "Navstar-GPS". До 1996 року розгортання системи було завершено. В даний момент доступно 28 активних супутників.

В СРСР льотні випробування високоорбітальних супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС почалися в 1982 році запуском супутника "Космос-1413". Основним розробником і творцем по системі в цілому і по космічному сегменту є НВО прикладної механіки (м Красноярськ), а по навігаційним космічним апаратам - ПО "Політ" (м.Київ). Головним розробником радіотехнічних комплексів є РНІІКП; відповідальним за створення тимчасового комплексу, системи синхронізації і навігаційної апаратури споживачів визначено Російський інститут радіонавігації і часу.

Мережева радіонавігаційна супутникова система (СРНСС) Глонасс

Система ГЛОНАСС призначена для глобальної оперативної навігації приземних рухомих об'єктів. СРНСС розроблена на замовлення Міністерства Оборони. За своєю структурою Глонасс так само, як і GPS, вважається системою подвійної дії, тобто може використовуватися як у військових, так і в цивільних цілях.

Система в цілому включає в себе три функціональні частини (у фаховій літературі ці частини називаються сегментами) (рис. 1).

Малюнок 1. Сегменти високоорбітальних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS

• космічний сегмент, в який входить орбітальне угруповання штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);
• сегмент управління, наземний комплекс управління (НКУ) орбітальної угрупованням космічних апаратів;
• апаратура користувачів системи.

З цих трьох частин остання, апаратура користувачів, найчисленніша. Система ГЛОНАСС є беззапитним, тому кількість споживачів системи не має значення. Крім основної функції - навігаційних визначень, - система дозволяє виробляти високоточну взаємну синхронізацію стандартів частоти і часу на віддалених наземних об'єктах і взаємну геодезичну прив'язку. Крім того, з її допомогою можна проводити визначення орієнтації об'єкта на основі вимірів, вироблених від чотирьох приймачів сигналів навігаційних супутників.

В системі Глонасс як радіонавігаційної опорної станції використовуються навігаційні космічні апарати (НКА), що обертаються по круговій геостаціонарній орбіті на висоті ~ 19100 км (рис. 2). Період обертання супутника навколо Землі дорівнює, в середньому, 11 годин 45 хвилин. Час експлуатації супутника - 5 років, за цей час параметри його орбіти не повинні відрізнятися від номінальних значень більше ніж на 5%. Сам супутник являє собою герметичний контейнер діаметром 1,35 м і довжиною 7,84 м, всередині якого розміщується різного роду апаратура. Харчування всіх систем проводиться від сонячних батарей. Загальна маса супутника - 1415 кг. До складу бортової апаратури входять: бортовий навігаційний передавач, хронізатора (годинник), бортовий керуючий комплекс, система орієнтації і стабілізації і так далі.

Малюнок 2. Космічний сегмент систем ГЛОНАСС і GPS

Малюнок 3. Сегмент наземного комплексу управління системи Глонасс

Малюнок 4. Сегмент наземного комплексу управління системи GPS

Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС виконує наступні функції:

• ефемеридних і частотно-часове забезпечення;
• моніторинг радіонавігаційного поля;
• радиотелеметрический моніторинг НКА;
• командне і програмне радіоуправління НКА.

Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовуються цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю порядку 10-13. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт з відносною нестабільністю 10-14. Крім того, до складу ПКУ входять засоби корекції шкал часу супутників відносно встановленої шкали з похибка 3-5 нс.

Наземний сегмент забезпечує ефемеридних забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на заздалегідь визначений проміжок часу. Параметри і їх прогноз закладаються в навігаційне повідомлення, передане супутником поряд з передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-часові поправки бортовий шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання і прогноз параметрів руху НКА виробляються в балістичних центрі системи за результатами траєкторних вимірювань дальності до супутника і його радіальної швидкості.

Мережева радіонавігаційна супутникова система GPS

Американська система GPS за своїми функціональними можливостямианалогічна вітчизняній системі ГЛОНАСС. Її основне призначення - високоточне визначення координат споживача, складових вектора швидкості, і прив'язка до системної шкалою часу. Аналогічно вітчизняної, система GPS розроблена для Міністерства Оборони США і знаходиться під його керуванням. Згідно интерфейсному контрольному документу, основними розробниками системи є:

• по космічному сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
• по сегменту управління - IBM, Federal System Company;
• по сегменту споживачів - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Як і система ГЛОНАСС, GPS складається з космічного сегмента, наземного командно-вимірювального комплексу і сегмента споживачів.

Як було сказано вище, орбітальне угруповання GPS складається з 28 навігаційних космічних апаратів. Всі вони знаходяться на кругових орбітах з періодом обертання навколо Землі, рівним 12 годинам. Висота орбіти кожного супутника дорівнює ~ 20000 км. НКА системи GPS проходили ряд удосконалень, які позначалися на їх характеристиках в цілому. У табл. 1 наведені короткі характеристикикосмічних апаратів, які використовуються в системі.

Таблиця 1. Характеристики космічних апаратів, які використовуються в системі GPS

Тип НКА	Маса на орбіті	Потужність енергоджерел, Вт	Розрахунковий термін активного існування	Рік запуску першого НКА
Блок-I	525	440	-	1978
Блок-II	844	710	5	1989
Блок-IIR	1094	1250	7,5	1997
Блок-IIF	-	-	14–15	2001–2002

Таблиця 2. Порівняльні характеристики систем ГЛОНАСС і GPS

показник	ГЛОНАСС	GPS
Число КА в повній орбітальної угруповання	24	24
Число орбітальних площин	3	6
Число КА в кожній площині	8	4
нахил орбіти	64,8º	55º
Висота орбіти, км	19 130	20 180
Період обертання супутника	11 ч. 15 хв. 44 з	11 ч. 58 хв. 00 з
Система координат	ПЗ-90	WGS-84
Маса навігаційного КА, кг	1450	1055
Потужність сонячних батарей, Вт	1250	450
Термін активного існування, років	3	7,5
Засоби виведення КА на орбіту	"Протон-К / ДМ"	Delta 2
Число КА, що виводяться за один запуск	3	1
космодром	Байконур (Казахстан)	Мис Канаверел (Cape Canaveral)
еталонне час	UTC (SU)	UTC (NO)
метод доступу	FDMA	CDMA
Несуча частота: L1 L2	1598,0625-1604,25 7/9 L1	1575,42 60/77 L1
поляризація	правобічна	правобічна
Тип псевдошумовой послідовності	m-послідовність	код Голда
Число елементів коду: C / A P	511 51 1000	1023 2,35x1014
Швидкість кодування, Мбіт / с: C / A P	0,511 5,11	1,023 10,23
Рівень внутрішньосистемних радіоперешкод, дБ	-48	-21,6
Структура навігаційного повідомлення
Швидкість передачі, біт / с	50	50
вид модуляції	BPSK (Манчестер)	BPSK NRZ
Довжина суперкадра, хв.	2,5 (5 кадрів)	12,5 (25 кадрів)
Довжина кадру, з	30 (15 рядків)	30 (5 рядків)
Довжина рядка, з	2	6

При проектуванні системи в цілому і НКА зокрема, велика увага приділяється питанням автономного функціонування. Так, космічні апарати першого покоління (Блок-I) забезпечували нормальну роботу системи (мається на увазі, без істотних помилок визначення координат) без втручання сегмента управління протягом 3-4 днів. В апаратах Блок-II цей термін був збільшений до 14 днів. У новій модифікації НКА Блок-IIR дозволяє автономно працювати протягом 180 днів без коригування параметрів орбіти з землі, користуючись лише автономним комплексом взаємної син-хронізації супутників. Апарати Блок-IIF передбачається використовувати замість відпрацьованих Блок-IIR.

Структура навігаційних радіосигналів системи Глонасс

В системі Глонасс використовується частотне розділення сигналів (FDMA), випромінюваних кожним супутником - двох фазоманіпулірованних сигналів. Частота першого сигналу лежить в діапазоні L1 ~ 1600 МГц, а частота другого - в діапазоні L2 ~ 1250 МГц. Номінальні значення робочих частот радіосигналів, що передаються в діапазонах L1 і L2, визначаються виразом:

f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1, ..., 24, (1)

де k = 0,1, ..., 24 - номера литеров (каналів) робочих частот супутників;

f 1 = 1602 МГц; D f 1 = 9/16 = 0,5625 МГц;
f 2 = 1246 МГц; D f 2 = 7/16 = 0,4375 МГц.

Для кожного супутника робочі частоти сигналів в діапазоні L1 і L2 когерентність і формуються від єдиного зразка частоти. Ставлення робочих частот несучої кожного супутника:

D f k1 / D f k2 = 7/9.

Номінальне значення частоти бортового генератора, з точки зору спостерігача, що знаходиться на поверхні Землі, так само 5,0 MГц.

В діапазоні L1 кожен супутник системи Глонасс випромінює 2 несучі на одній і тій же частоті, зрушені один щодо одного по фазі на 90º (рис. 5).

Малюнок 5. Векторна діаграма несучих сигналів систем ГЛОНАСС і GPS

Одна з несучих піддається фазової маніпуляції на 180º. Модулюючий сигнал отримують складанням по модулю 2 трьох довічних сигналів (рис. 6):

• грубого далекомірного коду, переданого зі швидкістю 511 Кбіт / с (рис. 6в);
• послідовності навігаційних даних, що передаються зі швидкістю 50 біт / с (рис. 6а);
• меандрового коливання, переданого зі швидкістю 100 біт / с (рис. 6б).

Малюнок 6. Структура сигналу ГЛОНАСС

Сигнал в діапазоні L1 (аналогічний C / A-коду в GPS) доступний для всіх споживачів в зоні видимості КА. Сигнал в діапазоні L2 призначений для військових потреб, і його структура не розкривається.

Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи ГЛОНАСС

Навігаційне повідомлення формується у вигляді безперервно наступних рядків, кожна тривалістю 2 с. У першій частині рядка (інтервал 1,7 с) передаються навігаційні дані, а в другій (0,3 с) - Метка Часу. Вона являє собою скорочену псевдослучайную послідовність, що складається з 30 символів з тактовою частотою 100 біт / с.

Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС необхідні споживачам для навігаційних визначень і планування сеансів зв'язку з супутниками. За своїм змістом навігаційні повідомлення діляться на оперативну і Неоперативне інформацію.

Оперативна інформація відноситься до супутника, з сигналу якого вона була отримана. До оперативної інформації відносять:

• оцифровку міток часу;
• відносне відміну несучої частоти супутника від номінального значення;
• ефемеридна інформація.

Час прив'язки ефемеридної інформації і частотно-часові поправки, які мають півгодинну кратність від початку доби, дозволяють точно визначати географічні координати і швидкість руху супутника.

Неоперативна інформація містить альманах, що включає:

• дані про стан всіх супутників системи;
• зсув шкали часу супутника щодо шкали системи;
• параметри орбіт всіх супутників системи;
• поправку до шкали часу системи Глонасс.

Вибір оптимального "сузір'я" КА і прогнозу доплерівського зсуву несучої частоти забезпечується за рахунок аналізу альманаху системи.

Навігаційні повідомлення супутників системи ГЛОНАСС структуровані у вигляді суперкадрів тривалістю 2,5 хв. Суперкадр складається з п'яти кадрів тривалістю 30 с. Кожен кадр містить 15 рядків тривалістю 2 с. З 2 з тривалості рядки останні 0,3 с займає мітка часу. Інша частина рядка містить 85 символів цифрової інформації, що передаються з частотою 50 Гц.

У складі кожного кадру передається повний обсяг оперативної інформації і частина альманаху системи. Повний альманах міститься в усьому суперкадрі. При цьому інформація суперкадра, що міститься в рядках 1-4, відноситься до того супутнику, з якого вона надходить (оперативна частина), і не змінюється в межах суперкадра.

Структура навігаційних радіосигналів системи GPS

В системі GPS використовується кодове розділення сигналів (СDMA), тому всі супутники випромінюють сигнали з однаковою частотою. Кожен супутник системи GPS випромінює два фазоманіпулірованних сигналу. Частота першого сигналу становить L1 = 1575,42 МГц, а другого - L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несучої частоти L1 модулюється двома двійковими послідовностями, кожна з яких утворена шляхом підсумовування по модулю 2 далекомірного коду і переданих системних і навігаційних даних, що формуються зі швидкістю 50 біт / с. На частоті L1 передаються дві квадратурні компоненти, біфазної маніпульовані двійковими послідовностями. Перша послідовність є сумою по модулю 2 точного далекомірного коду Р або засекреченого коду Y і навігаційних даних. Друга послідовність також є сумою по модулю 2 грубого З / A (відкритого) коду і тій же послідовності навігаційних даних.

Радіосигнал на частоті L2 біфазної маніпулювати тільки однієї з двох раніше розглянутих послідовностей. Вибір модулирующей послідовності здійснюється по команді з Землі.

Кожен супутник використовує властиві тільки йому дальномірні коди С / A і Р (Y), що і дозволяє розділяти супутникові сигнали. У процесі формування точного далекомірного Р (Y) коду одночасно формуються мітки часу супутникового сигналу.

Склад і структура навігаційних повідомлень супутників системи GPS

Структурний розподіл навігаційної інформації супутників системи GPS здійснюється на Суперкадр, кадри, підкадрів і слова. Суперкадр утворюється з 25 кадрів і займає 750 с (12,5 хв). Один кадр передається протягом 30 с і має розмірі 1500 біт. Кадр розділений на 5 підкадрів по 300 біт і передається протягом інтервалу 6 с. Початок кожного підкадрів позначає мітку часу, відповідну початку / закінчення чергового 6-з інтервалу системного часу GPS. Підкадрів складається з 10 30-біт слів. У кожному слові 6 молодших розрядів є перевірочними бітами.

В 1-, 2- і 3-м підкадрів передаються дані про параметри корекції годин і дані ефемерид КА, з яким встановлено зв'язок. Зміст і структура цих підкадрів залишаються незмінними на всіх сторінках суперкадра. У 4- і 5-м підкадрів міститься інформація про конфігурацію та стан всіх КА системи, альманахи КА, спеціальні повідомлення, Параметри, що описують зв'язок часу GPS з UTC, та інше.

Алгоритми прийому та вимірювання параметрів супутникових радіонавігаційних сигналів

До сегменту споживачів систем GPS і ГЛОНАСС відносяться приймачі сигналів супутників. За вимірами параметрів цих сигналів вирішується навігаційна завдання. Приймач можна розділити на три функціональні частини:

• радіочастотну частина;
• цифровий ~ коррелятор;
• процесор.

З виходу антенно-фідерного пристрою (антени) сигнал надходить на радіочастотну частина (рис. 7). Основне завдання цієї частини полягає в посиленні вхідного сигналу, фільтрації, перетворенні частоти і аналого-цифровому перетворенні. Крім цього, з радіочастотної частини приймача надходить тактова частота для цифрової частини приймача. З виходу радіочастотної частини цифрові відліки вхідного сигналу надходять на вхід цифрового коррелятора.

Малюнок 7. Узагальнена структура приймача

У коррелятора спектр сигналу переноситься на "нульову" частоту. Це проводиться шляхом перемноження вхідного сигналу коррелятора з опорним гармонійним коливанням в синфазном і квадратурного каналах. Далі результат перемноження проходить кореляційну обробку шляхом перемноження з опорним далекомірним кодом і накопиченням на періоді далекомірного коду. У підсумку отримуємо кореляційні інтеграли I і Q. відліку кореляційних інтегралів надходять в процесор для подальшої обробки і замикання петель ФАП (фазова автопідстроювання) і ССЗ (схема стеження за затримкою). Вимірювання параметрів сигналу в приймачі проводяться не безпосередньо по вхідному сигналу, а по його точної копії, що формується системами ФАП і ССЗ. Кореляційні інтеграли I і Q дозволяють оцінити ступінь "схожості" (коррелированности) опорного і вхідного сигналів. Завдання коррелятора, крім формування інтегралів I і Q, - формувати опорний сигнал, згідно з керуючими впливами (кодами управління), які надходять з процесора. Крім того, в деяких приймачах коррелятор формує необхідні вимірювання опорних сигналів і передає їх в процесор для подальшої обробки. У той же час, так як опорні сигнали в коррелятора формуються по керуючим кодами, що надходять з процесора, то необхідні вимірювання опорних сигналів можна проводити безпосередньо в процесорі, обробляючи відповідним чином керуючі коди, що і робиться в багатьох сучасних приймачах.

Які параметри сигналу вимірює коррелятор (процесор)?

Дальність при радіотехнічних вимірах характеризується часом поширення сигналу від об'єкта вимірювання до вимірювального пункту. У навігаційних системах GPS / ГЛОНАСС випромінювання сигналів синхронізовано зі шкалою часу системи, точніше, зі шкалою часу супутника, що випромінює даний сигнал. У той же час, споживач має інформацію про розбіжність шкали часу супутника і системи. Цифрова інформація, передана із супутника, дозволяє встановити момент випромінювання деякого фрагмента сигналу (мітки часу) супутником в системному часу. Момент прийому цього фрагмента визначається за шкалою часу приймача. Шкала часу приймача (споживача) формується за допомогою кварцових стандартів частоти, тому спостерігається постійний "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. Різниця між моментом прийому фрагмента сигналу, відрахувавши за шкалою часу приймача, і моментом випромінювання його супутником, відрахувавши за шкалою супутника, помножена на швидкість світла, називається псевдодальністю. Чому псевдодальністю? Тому що вона відрізняється від істинної дальності на величину, що дорівнює добутку швидкості світла на "догляд" шкали часу приймача щодо шкали часу системи. При вирішенні навігаційної задачі цей параметр визначається нарівні з координатами споживача (приймача).

Кореляційні інтеграли, що формуються в коррелятора, дозволяють відстежити модуляцію сигналу супутника символами інформації і обчислити мітку часу у вхідному сигналі. Мітки часу слідують з періодичністю 6 с для GPS і 2 с для ГЛОНАСС і утворюють своєрідну 6 (2) -секундную шкалу. В межах одного поділу цієї шкали періоди далекомірного коду утворюють 1-мс шкалу. Одна мілісекунда розділена, в свою чергу, на окремі елементи (chips, в термінології GPS): для GPS - 1023, для ГЛОНАСС - 511. Таким чином, елементи далекомірного коду дозволяють визначити дальність до супутника з похибкою ~ 300 м. Для більш точного визначення необхідно знати фазу генератора далекомірного коду. Схеми побудови опорних генераторів коррелятора дозволяють визначати його фазу з точністю до 0,01 періоду, що становить точність визначення псевдо 3 м.

На підставі вимірів параметрів опорного гармонійного коливання, Який формується системою ФАП, визначають частоту і фазу несучого коливання супутника. Його відхід щодо номінального значення дасть доплеровское зміщення частоти, за яким оцінюється швидкість споживача щодо супутника. Крім того, фазові вимірювання несучої дозволяють уточнити дальність до супутника з похибкою в кілька мм.

Для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника. Для того, щоб споживач міг визначити координати супутників, які випромінює ними навігаційні сигнали моделюються повідомленнями про параметри їх руху. В апаратурі споживача відбувається виділення цих повідомлень і визначення координат супутників на потрібний момент часу.

Координати і складові вектора швидкості змінюються дуже швидко, тому повідомлення про параметри руху супутників містять відомості не про їх координатах і складових вектора швидкості, а інформацію про параметрах деякої моделі, апроксимуючої траєкторію руху КА на досить великому інтервалі часу (близько 30 хвилин). Параметри апроксимуючої моделі змінюються досить повільно, і їх можна вважати постійними на інтервалі апроксимації.

Параметри апроксимуючої мо-діли входять до складу навігаційних повідомлень супутників. В системі GPS використовується кеплерівської модель руху з оскулюючих елементами. У цьому випадку траєкторія польоту КА розбивається на ділянки апроксимації тривалістю в одну годину. У центрі кожної ділянки задається вузловий момент часу, значення якого повідомляється споживачеві навігаційної інформації. Крім цього, споживачеві повідомляють параметри моделі оскулюючих елементів на вузловий момент часу, а також параметри функцій, що апроксимують зміни параметрів моделі оскулюючих елементів в часі як попередньому вузловому елементу, так і наступному за ним.

В апаратурі споживача виділяється інтервал часу між моментом часу, на який потрібно визначити положення супутника, і вузловим моментом. Потім за допомогою апроксимуючих функцій та їх параметрів, виділених з навігаційного повідомлення, обчислюються значення параметрів моделі оскулюючих елементів на потрібний момент часу. На останньому етапі за допомогою звичайних формул кеплеровской моделі визначають координати і складові вектора швидкості супутника.

В системі Глонасс для визначення точного положення супутника використовуються диференціальні моделі руху. У цих моделях координати і складові вектора швидкості супутника визначаються чисельним інтеграцією диференціальних рівнянь руху КА, що враховують кінцеве число сил, що діють на КА. Початкові умови інтегрування задаються на вузловий момент часу, що розташовується посередині інтервалу апроксимації.

Як було сказано вище, для визначення координат споживача необхідно знати координати супутників (не менше 4) і дальність від споживача до кожного видимого супутника, яка визначається в навігаційному приймачі з точністю близько 1 м. Для зручності розглянемо найпростіший "плоский" випадок, представлений на рис . 8.

Малюнок 8. Визначення координат споживача

Кожен супутник (рис. 8) можна представити у вигляді точкового випромінювача. В цьому випадку фронт електромагнітної хвилі буде сферичним. Точкою перетину двох сфер буде та, в якій знаходиться споживач.

Висота орбіт супутників становить порядок 20000 км. Отже, другу точку перетину кіл можна відкинути через апріорних відомостей, так як вона знаходиться далеко в космосі.

Диференціальний режим

Супутникові навігаційні системи дозволяють споживачеві отримати координати з точністю близько 10-15 м. Однак для багатьох завдань, особливо для навігації в містах, потрібна велика точність. Один з основних методів підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта заснований на застосуванні відомого в радіонавігації принципу диференціальних навігаційних вимірювань.

Диференціальний режим DGPS (Differential GPS) дозволяє встановити координати з точністю до 3 м в динамічної навігаційної обстановці і до 1 м - в стаціонарних умовах. Диференціальний режим реалізується за допомогою контрольного GPS-приймача, званого опорної станцією. Вона розташовується в пункті з відомими координатами, в тому ж районі, що і основний GPS-приймач. Порівнюючи відомі координати (отримані в результаті прецизійної геодезичної зйомки) з виміряними, опорна станція обчислює поправки, які передаються споживачам по радіоканалу в заздалегідь обумовленому форматі.

Апаратура споживача приймає від опорної станції диференціальні поправки і враховує їх при визначенні місцезнаходження споживача.

Результати, отримані за допомогою диференціального методу, в значній мірі залежать від відстані між об'єктом і опорної станцією. Застосування цього методу найбільш ефективно, коли переважаючими є систематичні помилки, обумовлені зовнішніми (по відношенню до приймача) причинами. За експериментальними даними, опорну станцію рекомендується розташовувати не далі 500 км від об'єкту.

В даний час існують безліч широкозонних, регіональних і локальних диференціальних систем.

Як широкозонних варто відзначити такі системи, як американська WAAS, європейська EGNOS і японська MSAS. Ці системи використовують геостаціонарні супутники для передачі поправок всім споживачам, що знаходяться в зоні їх покриття.

Регіональні системи призначені для навігаційного забезпечення окремих ділянок земної поверхні. Зазвичай регіональні системи використовують у великих містах, на транспортних магістралях і судноплавних річках, в портах і по березі морів і океанів. Діаметр робочої зони регіональної системи зазвичай становить від 500 до 2000 км. Вона може мати в своєму складі одну або кілька опорних станцій.

Локальні системи мають максимальний радіус дії від 50 до 220 км. Вони включають зазвичай одну базову станцію. Локальні системи зазвичай поділяють за способом їх застосування: морські, авіаційні та геодезичні локальні диференціальні станції.

Розвиток супутникової навігації

Загальний напрямок модернізації обох супутникових систем GPS і ГЛОНАСС пов'язано з підвищенням точності навігаційних визначень, поліпшенням сервісу, що надається користувачам, підвищенням терміну служби і надійністю бортової апаратури супутників, поліпшенням сумісності з іншими радіотехнічними системами і розвитком диференціальних підсистем. Загальний напрямок розвитку систем GPS і ГЛОНАСС збігається, але динаміка і досягнуті результати сильно відрізняються.

Удосконалення системи ГЛОНАСС планується здійснювати на базі супутників нового покоління "ГЛОНАСС-М". Цей супутник буде володіти збільшеним ресурсом служби і стане випромінювати навігаційний сигнал в діапазоні L2 для цивільних застосувань.

Аналогічне рішення було прийнято в США, де 5 січня 1999 року проголошено про виділення 400 млн. Дол. На модернізацію системи GPS, пов'язану з передачею C / A-коду на частоті L2 (1222,7 МГц) і введенням третьої несучої L3 (1176, 45 МГц) на КА, які будуть запускатися з 2005 року. Сигнал на частоті L2 намічено використати для цивільних потреб, Не пов'язаних безпосередньо з небезпекою для життя людей. Пропонується почати реалізацію цього рішення з 2003 року. Третій цивільний сигнал на частоті L3 вирішено використовувати для потреб цивільної авіації.

література

1. Радіотехнічні системи. Під ред. Казарінова Ю.М. М .: Вища школа, 1990..
2. Соловйов Ю.А. Системи супутникової навігації. М .: Еко-Трендз, 2000..
3. Глобальна супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.І. Перова, В.А. Болдіна. М .: ІПРЖР, 1998..
4. Ліпкин І.А. Супутникові навігаційні системи. М .: Вузівська книга, 2001..
5. Глобальна навігаційна супутникова система ГЛОНАСС. Інтерфейсний контрольний документ. М .: кницами ВКС, 1995.
6. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1 987.

Ідея визначати місцезнаходження предметів за допомогою штучних супутників Землі прийшла в голову американцям ще в 1950-х роках. Однак підштовхнув вчених радянський супутник.

Американський фізик Річард Кершнер зрозумів, що, якщо знати координати на землі, то можна дізнатися швидкість радянського космічного апарату. З цього і почалося розгортання програми, яка згодом стала називатися GPS - система глобального позиціонування. У 1974 році на орбіту виведено перший американський супутник. Спочатку цей проект призначався для військових відомств.

Як працює геопозиціонування

Розглянемо особливості геопозиционирования на прикладі звичайного трекера. До моменту активації прилад знаходиться в режимі очікування, модуль GPS ГЛОНАСС вимкнений. Така опція передбачена для заощадження заряду акумулятора і збільшення періоду автономної роботи пристрою.

Під час активації запускаються відразу три процесу:

• приймач GPS починає аналізувати координати по вбудованій програмі. Якщо в цей момент виявляється три супутника, система вважається недоступною. Те ж саме відбувається і з ГЛОНАСС;
• якщо трекер (наприклад, навігатор) підтримує модулі двох систем, то прилад аналізує відомості, отримані від обох супутників. Потім зчитує ті відомості, які вважає достовірними;
• якщо в потрібний момент сигнали обох систем недоступні, то включається GSM. Але дані, отримані таким способом, будуть неточними.

Тому, ставлячи собі питання: що вибрати - GPS або ГЛОНАСС, вибирайте обладнання з підтримкою двох супутникових систем. Недоліки роботи однієї з них перекриє інша. Таким чином, приймача доступні сигнали одночасно з 18-20 супутників. Це забезпечує хороший рівень і стабільність сигналу, мінімізує похибки.

Вартість сервісу GPS і ГЛОНАСС-моніторингу

На остаточну вартість обладнання впливають кілька факторів:

• країна виробник;
• які системи навігації використовуються;
• якість матеріалів і додаткові функції;
• обслуговування ПЗ.

самий бюджетний варіант- обладнання китайського виробництва. Ціна починається від 1000 руб. Однак якісного обслуговування не варто очікувати. За такі гроші власник отримає обмежений функціонал і недовгий термін служби.

Наступний сегмент обладнання - європейські виробники. Сума стартує від 5000 руб., Але натомість покупець отримує стабільний програмне забезпечення і розширені функції.

Російські виробники пропонують цілком рентабельне оснащення за розумні гроші. Ціни на вітчизняні трекери починаються з 2500 руб.

Окрема стаття витрат - абонентська плата і оплата додаткових послуг. Щомісячна плата для вітчизняних компаній - 400 руб. Європейські виробники відкривають додаткові опції за додаткову "монету".

Доведеться заплатити і за монтаж обладнання. В середньому, установка в сервісному центріобійдеться в 1500 рублів.

Переваги та недоліки ГЛОНАСС і GPS

Тепер розглянемо плюси і мінуси кожної системи.

Сателіти GPS майже не з'являються в південній півкулі, в той час як ГЛОНАСС передає сигнал в Москву, Швецію і Норвегію. Чіткість сигналу вище у американської системи завдяки 27 активним супутникам. Різниця в похибки "грає на руку" супутникам США. Для порівняння: неточність ГЛОНАСС - 2,8 м, у GPS - 1,8 м. Однак це усереднений показник. Чистота обчислень залежить від положення супутників на орбіті. У деяких випадках апарати шикуються так, що ступінь прорахунку збільшується. Така ситуація виникає в обох систем.

резюме

Так що ж переможе в порівнянні GPS vs ГЛОНАСС? Строго кажучи, цивільним користувачам неважливо, які супутники використовує їх навігаційна техніка. Обидві системи безкоштовні і знаходяться у відкритому доступі. Розумним рішенням розробників стане взаємна інтеграція систем. В такому випадку в "поле зору" трекера буде знаходитися необхідна кількість апаратів навіть при несприятливих погодних умовах і перешкодах у вигляді висотних будівель.

GPS і ГЛОНАСС. Відео по темі