HomeРазноеСпутниковая навигация: Принципы спутниковой навигации

Спутниковая навигация: Принципы спутниковой навигации

Содержание

Принципы спутниковой навигации

Космический сегмент

Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника — формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Пользовательский сегмент

В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.

На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии – это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один — смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли,
о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.

Геоцентрические системы координат — системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.

Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:

  • радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
  • лазерная локация космических аппаратов (SLR),
  • доплеровские измерительные системы (DORIS),
  • навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.

Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.

В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.

Навигационная система Система координат
Система координат ГЛОНАСС ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года)
Система координат GPS WGS-84 (World Geodetic System)
Система координат ГАЛИЛЕО GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame)
Система координат БЕЙДОУ CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000)
Система координат QZSS JGS (Japanese geodetic system)
Система координат NavIC WGS-84 (World Geodetic System)

В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.

Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.

Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.

Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.

Атомное время (TAI) — время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.

Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).

Навигационных радиосигналы

При выборе типов и параметров сигналов, используемых в спутниковых радионавигационных системах, учитывается целый комплекс требований и условий. Сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки)
сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодирования навигационного сообщения. Также сигналы должны иметь низкий уровень взаимной корреляции для того,
чтобы сигналы разных навигационных космических аппаратов надежно различались навигационной аппаратурой потребителей. Кроме того, сигналы ГНСС должны максимально эффективно использовать отведенную
полосу частот при малом уровне внеполосного излучения, обладать высокой помехоустойчивостью.

Почти все существующие навигационные спутниковые системы, за исключением индийской системы NAVIC, используют для передачи сигналов диапазон L.
Система NAVIC будет излучать сигналы дополнительно и в S диапазоне.

Диапазоны, занимаемые различными навигационными спутниковыми системами

Виды модуляции

По мере развития спутниковых навигационных систем изменялись используемые виды модуляции радиосигналов.
В большинстве навигационных систем изначально использовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной)
фазовой модуляцией – ФМ-2 (BPSK). В настоящее время в спутниковой навигации начался переход к новому классу модулирующих функций,
получивших название BOC (Binary Offset Carrier)-сигналов.

Принципиальное отличие BOC-сигналов от сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП BOC-сигнала представляет собой
не прямоугольный видеоимпульс, а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое постоянное число периодов k. Поэтому
сигналы с BOC-модуляцией часто называют меандровыми шумоподобными сигналами.

Использование сигналов с BOC-модуляцией повышает потенциальную точность измерения и разрешающую способность по задержке.
Одновременно с этим, уменьшается уровень взаимных помех при совместном функционировании навигационных систем,
использующих традиционные и новые сигналы.

Каждый спутник принимает с наземных станций управления навигационную информацию, которая передается обратно пользователям в составе навигационного сообщения.
Навигационное сообщение содержит разные типы информации, необходимые для того, чтобы определить местоположение пользователя и синхронизовать его шкалу времени с национальным эталоном.

Типы информации навигационного сообщения
  • Эфемеридная информация, необходимая для вычисления координат спутника с достаточной точностью
  • Погрешность расхождения бортовой шкалы времени относительно системной шкалы времени для учета смещения времени космического аппарата при навигационных измерениях
  • Расхождение между шкалой времени навигационной системы и национальной шкалой времени, для решения задачи синхронизации потребителей
  • Признаки пригодности с информацией о состоянии спутника для оперативного исключения спутников с выявленными отказами из навигационного решения
  • Альманах с информацией об орбитах и состоянии всех аппаратов в группировке для долгосрочного грубого прогноза движения спутников и планирования измерений
  • Параметры модели ионосферы, необходимые одночастотным приемникам для компенсации погрешностей навигационных измерений, связанных с задержкой распространения сигналов в ионосфере
  • Параметры вращения Земли для точного пересчета координат потребителя в разных системах координат

Признаки пригодности обновляются в течение нескольких секунд при обнаружении отказа. Параметры эфемерид и времени, как правило, обновляются не чаще, чем раз в полчаса. При этом период обновления для разных систем сильно отличается и может достигать четырех часов, в то время как альманах обновляется не чаще, чем раз в день.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию и передается в виде потока цифровой информации (ЦИ).
Изначально во всех навигационных спутниковых системах использовалась структура вида «суперкадр/кадр/строка/слово». При этой структуре поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров,
суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк.

В соответствии со структурой «суперкадр/кадр/строка/слово» формировались сигналы системы БЕЙДОУ, ГАЛИЛЕО (кроме E6), GPS (LNAV данные, L1), сигналы ГЛОНАСС с частотным разделением.
В зависимости от системы, размеры суперкадров, кадров и строк могут отличаться, но принцип формирования остается похожим.

Сейчас в большинстве сигналов используется гибкая строковая структура. В этой структуре навигационное сообщение формируется в виде переменного потока строк различных типов.
Каждый тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определённый тип информации (указаны выше).
НАП выделяет из потока очередную строку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию, содержащуюся в этой строке.

Гибкая строковая структура навигационного сообщения позволяет значительно более эффективно использовать пропускную способность канала передачи данных.
Но главным достоинством навигационного сообщения с гибкой строковой структурой является возможность её эволюционной
модернизации при соблюдении принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчиков НАП специально указывается,
что если НАП в навигационном сообщении встречает строки неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет добавлять
в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим типам строк строки с новыми типами. НАП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и,
следовательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не нарушается.

Сообщения сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением имеют строковую структуру.

На точность определения потребителем своих координат, скорости движения и времени влияет множество факторов, которые можно разделить на категории:

  1. Системные погрешности, вносимые аппаратурой космического комплекса

    Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры спутника и наземного комплекса управления ГНСС обусловлены в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения.

  2. Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала от космического аппарата до потребителя

    Погрешности обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов в атмосфере Земли от скорости их распространения в вакууме, а также зависимостью скорости от физических свойств различных слоёв атмосферы.

  3. Погрешности, возникающие в аппаратуре потребителя

    Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП и флуктуационные погрешности, обусловленные шумами и динамикой потребителя.

Кроме того, на точность навигационно-временного определения существенно влияет взаимное расположение навигационных спутников и
потребителя.

Количественной характеристикой погрешности определения местоположения и поправки показаний часов, связанной с особенностями пространственного положения спутника и потребителя, служит так
называемый геометрический фактор ΓΣ или коэффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обозначение GDOP — Geometrical delusion of precision.

Геометрический фактор ΓΣ показывает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений и зависит от следующих параметров:

  • Гп — геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве.
    Соответствует PDOP — Position delusion of precision.
  • Гг — геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали.
    Соответствует HDOP — Horizontal delusion of precision.
  • Гв — геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали.
    Соответствует VDOP — Vertical delusion of precision.
  • Гт — геометрический фактор точности определения поправки показаний часов потребителя ГНСС.
    Соответствует TDOP — Time delusion of precision.

Существующие в настоящее время глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС позволяют удовлетворить потребности в навигационном обслуживании обширный круг потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей и другие.

Классическим методом повышения точности навигационных определений является использование дифференциального (относительного) режима определений.

Дифференциальный режим предполагает использование одного или более базовых приёмников, размещённых в точках с известными координатами, которые одновременно с приёмником потребителя (подвижным, или мобильным) осуществляют приём сигналов одних и тех же спутников.

Повышение точности навигационных определений достигается за счёт того, что ошибки измерения навигационных параметров потребительского и базовых приёмников являются коррелированными. При формировании разностей измеряемых параметров большая часть таких погрешностей компенсируется.

В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки – контрольно-корректирующей станции (ККС) или системы опорных станций, относительно которых могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей до навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.

Для обеспечения дифференциального режима для большого региона – например, для России, стран Европы, США — передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Системы, реализующие такой подход, получили название широкозонные дифференциальные системы.

Подробнее о системах функциональных дополнений ГНСС, которые предоставляют потребителям дополнительную корректирующую информацию, смотрите в разделе «Функциональные дополнения».

Наверх

Спутниковые навигационные системы

В настоящее время в мире, помимо глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), работы по развертыванию
ГНСС БЕЙДОУ и ГАЛИЛЕО проводят Китай и страны Европейского союза.
Япония и Индия разворачивают региональные навигационные спутниковые системы QZSS и IRNSS соответственно.

История развития ГНСС

Глобальные навигационные спутниковые системы

Архитектура штатных орбитальных группировок

количество КА 24
высота орбиты 19 100 км
большая полуось 25 518 км
период 11 ч 15 мин 44 с
наклонение 64,8⁰
количество
плоскостей
3
количество КА 24
высота орбиты 20 200 км
большая полуось 26 560 км
период 11 ч 58 мин
наклонение 55⁰
количество
плоскостей
6
количество КА 24(+3 резерв)
высота орбиты 23 222 км
большая полуось 29 600 км
период 14 ч 4 мин 45 с
наклонение 56⁰
количество
плоскостей
3
количество КА 27
высота орбиты 21 528 км
период 12 ч 53 мин 24 с
наклонение 55⁰
количество
плоскостей
3

ведутся НИР в рамках ФЦП

нет

ведутся НИР в рамках программы EGEP (2-е поколение)

количество КА 3
высота орбиты 35 786 км
наклонение 55⁰

ведутся НИР в рамках ФЦП

нет

ведутся НИР в рамках программы EGEP (2-е поколение)

количество КА 5
высота орбиты 35 786 км
орбитальные точки 58,75⁰ в. д.,
80⁰ в.д., 110,5⁰ в.д., 140⁰ в.д.,
160⁰ в.д.

Региональные навигационные спутниковые системы

Архитектура штатных орбитальных группировок

Квазизенитный сегмент

количество КА 5
большая полуось 42 164 км
высота перигея ≈ 32 000 км
высота апогея ≈ 40 000 км
наклонение 40…47⁰
количество плоскостей 3

Геосинхронный сегмент

количество КА 4
наклонение 29⁰
количество плоскостей 2
орбитальные точки 55⁰ в.д.
111,5⁰ в.д.
количество КА 2
орбитальные точки
количество КА 3
орбитальные точки 34° в.д.
83° в.д.
131,5° в.д.

Спутниковая навигация: GPS, ГЛОНАСС и другие

На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.

Первые предпосылки

Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.

Навигационный радиомаяк LORAN в Канаде

Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.

На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.

Сеть навигационных спутников вокруг Земли

В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.

GPS vs. ГЛОНАСС

В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.

В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.

ГЛОНАСС – изначально советская, а теперь российская альтернатива GPS

Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.

Принцип работы GPS

Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).

Для точного позиционирования нужно минимум три спутника и земной шар (либо четвертый спутник)

Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.

Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.

Навигационный чип производства компании Leadtek

Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.

Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.

Туристический навигатор Garmin eTrex 10

Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.

Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.

Автомобильный навигатор NAVIGON 3300 Max

Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.

Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.

Запущенный в этом году экспериментальный GPS-спутник USA-242 может похвастаться длительным временем работы (более 10 лет) и более точным позиционированием (до полуметра)

Будущее спутниковой навигации

Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.

Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.

Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.

Спутниковая навигация : основные принципы работы.. Проблемы и методы их решения

Спутниковая навигация : основные принципы роботы.

Приборы спутниковой навигации тесно вошли в нашу жизнь. Мониторинг транспортных средств, навигация морских судов и самолетов, персональная навигация — неполный перечень сфер, в которых используется спутниковая навигация. Но далеко не каждый понимает принцип работы спутниковой навигации, знает ее разновидности и составляющие.   Рассмотрим подробнее:

Спутниковая система навигации (GNSS — Global Navigation Satellite System) — система наземного и космического оборудования, предназначенная для позиционирования в пространстве и времени, а также для определения скорости, направления и других параметров движения объекта. 

                                                             

Общие элементы спутниковой системы навигации:

• Орбитальная группа —

Система космических аппаратов в виде сети навигационных спутников

• Наземная система управления и контроля —

Блоки измерения положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации про орбиты

• Приемное оборудование —

«Спутниковые навигаторы», используемые для определения местонахождения

• Опционально-информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, что позволяет значительно повысить точность определения координат. 

                                                    

Принцип действия спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны приемника на объекте до навигационных спутников, местонахождение которых известно с большой точностью. Таблица положений спутников ( «альманах») есть в каждом приемнике спутникового сигнала до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего включения. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников систем, с помощью обычных геометрических построений на основе альманаха рассчитывается положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определении скорости распространения радиоволн. Для реализации возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов спутников исчисляется задержка между временем излучения, что содержится в самом сигнале, и временем приема сигнала антенной приемника. Имея данную информацию, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Остальные параметры движения (скорость, направление, пройденное расстояние) вычисляется на основе измерения времени, объект потратил на перемещение между двумя или более точками с координатами, определенными по предварительным вычислениям.

Самые известные на сегодня системы спутниковой навигации:

• GPS

• ГЛОНАСС

• Galileо

• Бейдоу

                                                     

Все они работают по схожему принципу: для среднего по точности позиционирования в пространстве антенна приемника должен получать сигнал минимум от 4 спутников системы (или от 3, если 1 из координат известна, например, высота над уровнем моря судна в океане — 0 м), но есть определенные различия. Например, каждая спутниковая навигационная система определяет местонахождение в «своей» системе координат, каждая из систем спутниковой навигации принадлежит разным странам или группировкой стран. Но эти факторы не являются важными для пользователей, гораздо важнее отличиями являются наклон и количество орбит, на которых находятся спутники, а также их количество, период обращения вокруг Земли, так как именно эти параметры больше всего влияют на точность позиционирования.  

                                                       

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) — российская радионавигационная спутниковая система, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Основой системы является 24 активные спутники, вращающиеся на орбите средней высотой 19100 км над поверхностью Земли с наклоном 64,8 ° и периодом около 11:00 в трех орбитальных плоскостях с 8 равномерно распределенными спутниками в каждой, а также резервные аппараты, назначение которых — в любой момент времени заменить спутники, по определенным причинам вышли из строя. Значение периода позволило создать устойчивую орбитальную систему, которая не требует для своей поддержки корректирующих импульсов. Сигналы передаются с направленностью в 38 ° с использованием правой круговой поляризации, с мощностью 316-500 Вт (EIRP 25-27 dBW). Спутники системы ГЛОНАСС стало передают радиоизлучения двух типов: навигационный сигнал диапазона L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности диапазонов L2 и L3 (1,2 ГГц). Наземный комплекс управления ГЛОНАСС состоит из центра управления системой и контрольных станций. Орбита спутников ГЛОНАСС предоставляет возможность применения навигационной системы на высоких широтах (северный и южный полярный регион), где сигнал GPS принимается плохо.

На сегодняшний день погрешности навигационных показателей ГЛОНАСС по долготе и широте составляют 3-6 м при использовании в среднем 7-8 спутников (в зависимости от точки приема сигналов). После запланированного ранее вывода на орбиту аппаратов для корректировки сигнала ожидается повышение точности позиционирования до 1 м.

ГАЛИЛЕО

Галилео – система спутниковой навигации Европейского Союза и Европейского космического агентства.

Система начала действовать с 15 декабря 2016 года в ограниченном режиме. Полностью развернутая система будет состоять из 27 активных и 3 запасных спутников, вращаться с высотой 23222 км над поверхностью Земли с наклоном 56 ° и периодом около 14 часов в трех орбитальных плоскостях с 9 активными и 1 резервным спутником в каждой. Наземная инфраструктура включает два (в будущем — 3) центра управления и глобальную сеть передающих и приемных станций. После завершения проекта, которое намечено на 2020 год, навигационные сигналы Галилео обеспечат хорошее покрытие даже на широтах до 75 ° северной широты, а точность определения местоположения объекта достигнет 1 м.

Также в будущем станет доступной дополнительная функция — спутники Галилео передавать сигналы тревоги пользователей к региональным спасательно-координационных центров. В ответ система будет посылать сигнал пользователям, сообщая, что аварийную ситуацию обнаружено, что считается значительным обновлением по сравнению с имеющейся системой, которая не обеспечивает обратной связи.

Бэйдоу

Бэйдоу — китайская спутниковая система навигации. Планируется, что космический сегмент навигационной спутниковой системы Бэйдоу будет состоять из орбитальной группировки смешанного типа, состоящий из спутников на орбитах 3 типов.

Система Бэйдоу начала функционировать еще в 2003 году, была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 как региональная система позиционирования (только для азиатско-тихоокеанского региона), при этом спутниковую группировку составило 16 спутников. На сегодня границы предоставления услуг позиционирования системой Бэйдоу продолжают расширяться. Точность позиционирования системы для гражданского населения составляет менее 10 метров, точность измерения скорости менее 0,2 метра в секунду. Планируется, что к 2020 году орбитальная группировка Бэйдоу будет состоять из 35 космических аппаратов, из которых 5 Beidou-G будут находиться на геостационарной орбите (точки 58,75 ° в.д., 80 ° в.д., 110,5 ° в. д., 140 ° в.д. и 160 ° в.д.), 27 Beidou-M — на средний круговой орбите (высота 21 500 км, период обращения 12 ч 53 мин, наклон 55 °) и 3 Beidou-IGSO — на геосинхронной наклонных высоких орбитах (в трех плоскостях, высотой орбиты 35786 км, наклоном 55 °), подспутниковые точки которых движутся на поверхности Земли по одной «трассе» в форме восьмерки, ось симметрии которой находится на долготе 118 ° восточной долготы. Это обеспечит переход системы Бэйдоу от статуса региональной в глобальную систему спутниковой навигации

GPS (NAVSTAR)

NAVSTAR GPS (Global Positioning System Navigation Satellite Time and Ranging) — высокоточная спутниковая система навигации, которая позволяет определить местонахождение объекта, его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Комплекс NAVSTAR разработан, воплощен и принадлежит Министерству обороны США.

На сегодня основой системы является 32 спутника (активные и резервные), работающих в единой сети и вращаются на шести круговым орбитам, расположенным под углом 60 ° друг к другу. На каждой орбите размещено по 4 активные спутники, высота орбит примерно равна 20200 км, наклонение орбиты — 55 °, а период обращения каждого спутника вокруг земли равна 12 часам. Таким образом, с любой точки земной поверхности обычно одновременно видно от четырех до двенадцати таких спутников. Каждые 30 секунд спутник передает навигационные сообщения, в которых содержатся данные о положении спутника в определенный момент времени, данные о качестве сигнала, погрешность спутникового часов и коэффициенты модели ионосферы. Передача сигнала со спутника происходит на частоте 1575,42 МГц.

Станции управления размещены в Колорадо-Спрингс, Диего-Гарсия, на острове Вознесения, атолле Кваджелейн и на Гавайях. Вся информация, проходящая через эти станции, записывается ими и передается на главную станцию на авиабазе в Шривера (штат Колорадо).

Обычная точность современных GPS-приемников в горизонтальной плоскости составляет 5-10 метров, и 10-20 метров по высоте. На территории США и Канады являются станции WAAS, в Европе действуют станции EGNOS, которые передают поправки для дифференциального режима, что позволяет увеличить точность вычисления положения до 1-2 метров. При использовании более сложного дополнительного оборудования точность определения координат можно довести до 10 см. Однако, невысокий наклон орбит спутников GPS (примерно 55 °) значительно ухудшает точность в приполярных регионах Земли, поскольку спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом

Проблемы систем спутниковой навигации

Недостатком всех систем спутниковой навигации является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может поступать к приемнику с задержкой либо не поступать вообще. Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала спутников приемником может значительно ухудшиться под плотной листвой деревьев, из-за большой облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут помешать помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Препятствиями для прохождения сигнала также могут быть: плотная застройка города (большое количество небоскребов), толстые бетонные или железобетонные стены, размещение приемника в подземном помещении. Чтобы минимизировать этот недостаток системы спутниковой навигации, рекомендуется размещать приемник на максимально открытой местности, или, если это невозможно, использовать выносные антенны для улучшения передачи сигналов. Перед выбором устройств спутниковой навигации стоит выяснить, какие системы спутниковой навигации лучше функционируют в Вашей местности. Например, в полярных регионах GPS (NAVSTAR) имеет малую точность по сравнению с ГЛОНАСС (причиной является разный наклон орбит спутников), хотя в целом GPS обеспечивает более точное определение местонахождения.

                                                     

Также проблемой GPS (и некоторых других систем спутниковой навигации) считается сброс номера недели (WNRO — week number roll over), ведь это может повлиять на работу устройств спутниковой навигации. В составе навигационных радиосигналов, передаваемых со спутников системы к приемнику, содержится номер недели, максимальное значение которого — 1023. Когда номер недели достигает значения 1023, счетчик сбрасывает отсчет номера недели до 0 (примерно каждые 20 лет). Не подготовленные к данному событию устройства могут начать неправильно высчитывать время и дату, может повлиять на функции устройства, которые зависят от данных параметров. Для минимизации влияния WNRO на ваши устройства спутниковой навигации, необходимо своевременно обновлять ПО и, при возникновении вопросов, обращаться к производителю. Хорошая новость заключается в том, что с модернизацией GPS (и других ССН) максимальное значение номера недели увеличится (специалисты GPS хотят увеличить количество бит счетчика), и о WNRO можно будет не беспокоиться значительно дольше.

GPS, RTK, A-GPS та LBS

Если устройство, использующее GPS, находится в неактивном состоянии в течение длительного времени (более нескольких часов), возникает проблема со скоростью определения местоположения при переводе устройства в активное состояние. Это связано с тем, что устройства необходимо время, чтобы определить, с какими спутниками ему нужно связаться, получить от них сигналы и определить свое местонахождение. То есть, владельцу устройства придется ожидать от 45 секунд (если устройство не было активным несколько часов) до почти 15 мин (если устройство не было активным несколько дней) и, возможно, даже дольше.

Для того чтобы влияние этого недостатка был минимальным, производители, в том числе и ТМ ОКО используют технологии A-GPS или (и) LBS, а также RTK. Как они работают и чем отличаются?

A-GPS

A-GPS (Assisted GPS) — технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приемника. Ускорение происходит благодаря информации, полученной через альтернативные каналы связи. Когда GPS-приемник перейдет с неактивного состояния в активное, ему нужно будет сначала получить данные о текущем положении спутников, а затем уже определять свое местонахождение. Это требует определенных затрат времени. A-GPS помогает ускорить определение координат, подключаясь через интернет веб-сервера (так называемого Assisted-сервера), который уже содержит актуальную информацию обо всех спутниках. Эта информация передается через GPRS или другие типы связи (например, Wi-Fi) на приемник. Таким образом, технология A-GPS придает устройству информацию о расположении нужных спутников, ускоряя «холодный старт», повышая  чувствительность приемника и уменьшая энергопотребление устройства.

                                                         

Однако, данная технология не может функционировать вне зоны покрытия сотовой связи. Кроме того, по A-GPS приходится платить в соответствии с установленным вашим провайдером тарифа, поскольку она потребляет интернет-трафик (хотя и незначительный).

LBS

LBS (Location-based service) — технология, предоставляющая возможность определить местонахождение объекта с электронной картой LBS-системы, на которой указано расположение базовых станций операторов сотовой связи. Точность определения местоположения зависит от плотности расположения базовых станций на заданной местности. Города обычно находятся в зоне сразу нескольких базовых станций, местонахождение определяется по точке пересечения радиусов покрытия каждой из станций, поэтому точность определения местоположения в населенных пунктах с помощью LBS может достигать 50 метров. За пределами населенных пунктов, точность определения может находиться в пределах от нескольких сотен метров до нескольких километров. 

                                                         

Технология LBS использует статическую базу данных и позволяет получить представление о расположении объекта, но фактически не может предоставить точные координаты, кроме того, не дает никакой дополнительной информации (например, высота над уровнем моря объекта, скорость перемещения). Однако LBS может предоставить приблизительное местонахождение объекта, когда GPS не работает или работает с перебоями (например, в городе с плотной застройкой небоскребов).

RTK

RTK (Real Time Kinematic) — совокупность методов для определения местоположения в пространстве с сантиметровой точностью с помощью спутниковой навигации совместно с поправками с базовых станций. Как уже отмечалось выше, при определенных условиях (дождь, большое количество деревьев, электро-магнитные помехи и т.д.) радиосигналы со спутников частично искажаются, что является причиной ухудшения точности позиционирования. Для того, чтобы повысить точность, была изобретена технология RTK.

Принцип работы технологии RTK

Для получения поправок используется базовая станция, координаты которой должны быть известными заранее с большой точностью. Базовая станция принимает сигналы от спутников, с помощью специализированного ПО рассчитывается погрешность определения местоположения станции, формируются поправки. Они направляются на велосипед (приемник), который в свою очередь принимает сигналы от тех же спутников, и базовая станция. Ровер обрабатывает сигналы спутников и, используя поправки с базовой станции, определяет свое местоположение с точностью до 1-2 см в режиме реального времени. Для передачи поправок используются радиомодемы, интернет и т.п. 

 

Также возможно использование сети базовых станций, находящихся на расстоянии до 70 км друг от друга. В таком случае каждая базовая станция передает полученные из одних и тех же спутников данные о своем местонахождении на сервер, который уже формирует поправки и направляет на велосипед. Он сочетает данные с сервера и сигналы спутников и вычисляет собственно местонахождения. Таким образом, исчезает риск возникновения неточностей в случае выхода из строя одной из станций, сохраняется высокая точность определения координат, даже если велосипед находится на большом расстоянии от базовой станции.

Для получения наиболее точных данных, необходимо чтобы велосипед и базовые станции получали сигналы по крайней мере с 5 спутников и находились на расстоянии до 30 км друг от друга.

ИСТОЧНИКИ

1. https://uk.wikipedia.org

2. https://www.glonass-iac.ru

3. https://wireless-e.ru/articles/modules/2006_1_7.php

4. http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/Galileo/What_is_Galileo

5. https://www.topconpositioning.com/ru/gpsrollover

6. http://mirgarmin.com.ua/WNRO.html

7. https://www.dhs.gov/cisa/gps-week-number-roll-over

8. https://trackerplus.ru/gps/a-gps

9. http://www.portativka.com/chto-takoe-a-gps/

10. https://gpsmarker.ru/info/blog/lbs-i-a-gps-v-chem-raznitsa.html

11. http://dalgeokom.ru/media/Seti-bazovyh-stanciy-RTK/

Системы спутниковой навигации


Системы спутниковой навигации

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

  • Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;
  • Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
  • Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем, используемое для определения координат;
  • Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.
  • Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

  • Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).
  • Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
  • Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;
  • Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
  • Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

  • Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
  • Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии
  • Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
  • Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
  • Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-ГЛОНАСС.
  • Тектоника, Тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
  • Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
  • Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

 

Современное состояние

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:

GPS

Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.

ГЛОНАСС

Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

Бэйдоу

Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

На 28 декабря 2012 года выведено на орбиту Земли шестнадцать навигационных спутников, из них по предназначению используется 11[1].

Согласно планам, к 2012 году она сможет покрывать Азиатско-Тихоокеанский регион, а к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная. Реализация данной программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007-ом.

Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

IRNSS

Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS — 7.

QZSS

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

Основные характеристики систем навигационных спутников






















параметр, способ СРНС ГЛОНАСС GPS NAVSTAR TEN GALILEO BDS COMPASS
Число НС (резерв) 24 (3) 24 (3) 27 (3) 30 (5)
Число орбитальных плоскостей 3 6 3 нет данных
Число НС в орбитальной плоскости 8 4 9 нет данных
Тип орбит Круговая (e=0±0.01) Круговая Круговая Круговая
Высота орбиты, КМ 19100 20183 23224 21500
Наклонение орбиты, градусы 64.8±0.3 ~55 (63) 56 ~55
Номинальный период обращения по среднему солнечному времени 11 ч 15 мин 44 ± 5 с ~11 ч 58 мин 14 ч 4 мин. и 42 с. нет данных
Способ разделения сигналов НС Кодово-частотный (кодовый на испытаниях) Кодовый Кодово-частотный нет данных
Несущие частоты радиосигналов, МГц L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5 L1=1575.42 L2=1227.60 L5=1176.45 E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75 E1=1575.42 E5=1191.795 E5A=1176.46 E5B=1207.14 E6=12787.75
Период повторения дальномерного кода (или его сегмента) 1 мс 1 мс (С/А-код) нет данных нет данных
Тип дальномерного кода М-последовательность (СТ-код 511 зн. ) Код Голда (С/А-код 1023 зн.) М-последовательность нет данных
Тактовая частота дальномерного кода, МГц 0.511 1.023 (С/А-код) 10.23 (P,Y-код) Е1=1.023 E5=10.23 E6=5.115 нет данных
Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код) 50 зн/с (50Гц) 50 зн/с (50Гц) 25, 50, 125, 500, 100 Гц нет данных
Длительность суперкадра, мин 2.5 12.5 5 нет данных
Число кадров в суперкадре 5 25 нет данных нет данных
Число строк в кадре 15 5 нет данных нет данных
Система отсчета времени UTC (SU) UTC (USNO) UTC (GST) UTC (-)
Система отсчета координат ПЗ-90/ПЗ90.2 WGS-84 ETRF-00 нет данных
Тип эфемирид Геоцентрические координаты и их производные Модифицированные кеплеровы элементы Модифицированные кеплеровы элементы нет данных
Сектор излучения от направления на центр земли ±19 в 0 L1=±21 в 0 L2=±23.5 в 0 нет данных нет данных
Сектор Земли ±14.1 в 0 ±13.5 в 0 нет данных нет данных

Технические детали работы систем

Рассмотрим некоторые особенности основных действующих систем спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС):

  • Обе системы имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для GPS и России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе GPS это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).
  • Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах — 24. Группировка GPS полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В 2011 году система ГЛОНАСС полностью восстановлена, количество спутников в группировке достигло 24. В системе появился орбитальный резерв.
  • Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.
  • В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты — L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для GPS L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, то есть каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.
  • Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) — это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах — т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.
  • Для подавления сигналов спутниковых навигационных систем используются передатчики активных помех. Впервые широкой общественности передатчики разработки российской компании «Авиаконверсия» были представлены в 1997 году на авиасалоне МАКС-1997[2].

Дифференциальное измерение

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

В настоящее время (2009 год) существуют бесплатные американская система WAAS, европейская система EGNOS, японская система MSAS основанные на нескольких передающих коррекции геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Запланировано создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ.

Навигация — Российские космические системы

Глобальная навигация навсегда изменила нашу жизнь. Система ГЛОНАСС позволяет определить положение любого объекта в любой точке Земли и воздушного пространства. Она упростила измерение скорости, направления и динамики перемещений, сделав эти показатели точнее и доступнее для каждого. ГЛОНАСС обеспечивает безопасность человека. Новые геоинформационные системы стали основой современных подходов к развитию целых отраслей экономики России и мира.

«Российские космические системы» разработали и развивают систему спутниковой навигации ГЛОНАСС, увеличивая ее точность и эффективность. Мы продолжаем создавать удобные сервисы – функциональные дополнения, позволяющие контролировать и управлять любым объектом в пространстве – от самолета до велосипеда.

Знание местоположения, маршрута и направления движения – одно из самых ценных для человека знаний.

Интеллектуальные системы связи и энергетики, высокоточное земледелие, строительство, логистика, туризм используют сигналы системы ГЛОНАСС. Каждый день мы наблюдаем появление новых социальных сервисов и услуг.

Высокоточная и персональная навигация экономят время, ресурсы и повышают эффективность управления транспортными системами на земле, на воде и в воздухе, в том числе роботизированными беспилотными системами. Новые информационные возможности на основе ГЛОНАСС делают современную жизнь более комфортной и безопасной, минимизируя риски для жизни, здоровья и бизнеса.

Семейство продуктов «РКС Комплекс» создано на основе технологий ГЛОНАСС/GPS и включает в себя девять навигационно-информационных систем мониторинга и управления транспортом различного назначения. Продукты этого семейства позволяют регулировать работу транспортных систем, повышают безопасность перевозок, увеличивают их рентабельность и обеспечивают эффективную работу коммерческих транспортных компаний и служб быстрого реагирования.

Думая о будущем, мы создали ГЛОНАСС в космосе. Сегодня мы открываем следующую страницу истории навигации – здесь, на Земле.

Принцип и схема работы системы спутниковой навигации GPS

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

История GPS

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

  • Мобильная связь;
  • Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
  • Определение сейсмической активности;
  • Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
  • Геодезия – определение точных границ земельных участков;
  • Картография;
  • Навигация;
  • Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

  • Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
  • Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
  • Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
  • Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

  • Погрешность в вычислении орбит;
  • Ошибки, связанные с приемником;
  • Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
  • Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
  • Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS:

  • Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
  • Количество орбитальных плоскостей – 6;
  • Высота орбиты – 20000 км;
  • Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
  • Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
  • Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких  типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

  • Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
  • Тип антенны;
  • Наличие картографической поддержки;
  • Тип дисплея;
  • Дополнительные функции;
  • Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных.  Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

  • Найти спутник и установить с ним связь;
  • Получить альманах и сохранить его в памяти;
  • Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
  • Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
  • Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации  находятся специальные технические  средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

 

Спутниковая навигация — GPS — Как это работает

Спутниковая навигация основана на глобальной сети спутников, передающих радиосигналы на средней околоземной орбите. Пользователи спутниковой навигации больше всего знакомы с 31 спутником Глобальной системы позиционирования ( GPS ) * . Соединенные Штаты, разработавшие и эксплуатирующие GPS , и Россия, разработавшие аналогичную систему, известную как ГЛОНАСС , предложили международному сообществу бесплатное использование своих соответствующих систем.Международная организация гражданской авиации ( ИКАО ), а также другие международные группы пользователей приняли GPS и ГЛОНАСС в качестве основы для возможностей международной гражданской спутниковой навигации, известной как Глобальная навигационная спутниковая система ( GNSS ). .

Рисунок: Земля со спутниками — объясняет, как работает GPS

Базовая услуга GPS предоставляет пользователям точность приблизительно 7,8 метра в 95% времени в любом месте на поверхности земли или вблизи нее.Для этого каждый из 31 спутника излучает сигналы приемникам, которые определяют свое местоположение, вычисляя разницу между временем отправки сигнала и временем его приема. GPS Спутники оснащены атомными часами, которые обеспечивают чрезвычайно точное время. Информация о времени помещается в коды, транслируемые спутником, так что приемник может непрерывно определять время, в которое был передан сигнал. Сигнал содержит данные, которые приемник использует для вычисления местоположения спутников и для внесения других корректировок, необходимых для точного определения местоположения.Приемник использует разницу во времени между временем приема сигнала и временем вещания для вычисления расстояния или дальности от приемника до спутника. Приемник должен учитывать задержки распространения или уменьшение скорости сигнала, вызванное ионосферой и тропосферой. Имея информацию о дальностях до трех спутников и местоположении спутника в момент отправки сигнала, приемник может вычислить свое собственное трехмерное положение. Атомные часы, синхронизированные с GPS , необходимы для вычисления дальности по этим трем сигналам.Однако, выполняя измерения с четвертого спутника, приемник избавляется от необходимости в атомных часах. Таким образом, приемник использует четыре спутника для вычисления широты, долготы, высоты и времени.

GPS — Как это работает

На этой анимации показано, как спутники GPS вращаются вокруг Земли и затем принимаются самолетом в полете. Анимация не содержит звука.

GPS состоит из трех сегментов:

* Обратитесь к тихо.usno.navy.mil ( TXT ) для получения обновленной информации об общем количестве спутников GPS на орбите.

Дополнительные

GPS Учебные пособия

Последнее изменение страницы:

Спутниковая навигация | Дом

Тематическая статья: Роль, путь и видение «5G + BDS / GNSS»

GNSS: 5G + BDS

Возможности связи, позиционирования, навигации и принятия решений превратились в интеллект позиционирования, навигации и времени (PNT) в течение длительного процесса миграции людей и, следовательно, способствовали эволюции человека.Авторы определили интеллект и сообразительность с точки зрения биологического интеллекта и указали, что технология 5G также является одним из методов, поддерживающих разведку PNT, а также глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS). Слияние информации 5G и GNSS (включая навигационную спутниковую систему BeiDou (BDS)) с соответствующим оборудованием может быть встроено в машину, чтобы сделать ее интеллектуальной, что расширит определение искусственного интеллекта. Кроме того, здесь был подробно проанализирован путь объединения «5G + BDS / GNSS» с точки зрения методов реализации, обработки информации и новых прикладных услуг.В целом ожидалось, что независимая BDS в сочетании с 5G станет самой важной новой инфраструктурой в эпоху интеллекта. В результате, широко или даже глобально распределенные физические устройства могут обладать интегрированными функциями вычислений, связи, удаленного сотрудничества, точного управления и автономности на основе восприятия, что будет способствовать беспрецедентным изменениям в производстве и образе жизни, а также инновациям бизнес-модели.
Прочтите статью полностью.

Тематическая статья: Состояние, перспективы и тенденции развития спутниковой навигации

Несмотря на глобальную пандемию COVID-19, 2020 год является для спутниковой навигации годом празднования: готовы четыре глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) (для Galileo отсутствует только последний запуск), две региональные спутниковые навигационные системы (RNSS) , о Y спутниковых системах функционального дополнения (SBAS) и многое другое находится в стадии разработки.
Поэтому разумно пересмотреть, где мы сейчас находимся и куда идем. В этом документе рассматривается состояние спутниковой навигации — без претензий на полноту — и обсуждаются перспективы и тенденции.
Но есть не только свет, мы также сталкиваемся с проблемами, например, с совместимостью частот — полоса L полностью занята, для взаимодействия со многими сигналами на одной и той же частоте, которые увеличивают уровень внутреннего шума, с изменяющимся миром и увеличение количества помех, глушения, спуфинга и космической киберпреступности и т. д.
Однако, с другой стороны, появляются новые возможности: расширенный автономный мониторинг целостности приемников (RAIM) может соответствовать требованиям категории I, сети 5G созданы и дополняют спутниковую навигацию, New Space с его наноспутниками (кубесатами) позволяет создавать новые экономичные региональные приложения. , цифровизация будет применяться в полезной нагрузке навигационной системы, искусственном интеллекте в управлении спутниковым трафиком и квантовой связи для безопасных спутниковых каналов.
Однако самой большой проблемой в спутниковой навигации в ближайшие годы будет обеспечение безопасности и защиты GNSS.
Прочтите статью полностью.

Примечание редакции

После быстрого экономического роста в Китае за последние 30 лет, сейчас существует сильное желание содействовать развитию и распространению науки и технологий в долгосрочном будущем. Признавая важность академических журналов в распространении результатов исследований и вдохновении на новые исследовательские идеи, а также в укреплении коммуникации, AIRCAS будет спонсировать спутниковую навигацию как международную платформу, предоставляя исследователям и инженерам в области навигации, позиционирования и синхронизации уникальную возможность для тесного взаимодействия и общения. .Этот журнал не только предоставит площадку для углубленного научного обмена, но и будет способствовать развитию сотрудничества в области исследований и использованию международных источников финансирования, особенно тех, которые связаны с Китаем. См. Полный текст.

Главный редактор: Юаньси Ян

Юаньси Ян является академиком Китайской академии наук за его пожизненный вклад в навигацию, геодезию и технику. В настоящее время он является профессором геодезии и навигации Сианьского научно-исследовательского института геодезии и картографии и работает в Национальном управлении GNSS и приложений Китая (CNAGA).Он также является главой государственной ключевой лаборатории геоинформационной инженерии, адъюнкт-профессором и куратором PhD Университета Бейхан.
Он выступал в качестве заместителя главного конструктора китайской навигационной спутниковой системы (BDS) и был ведущим членом консультативного совета BDS с момента его создания в 2010 году. Первоначально он разработал надежную оценку параметров для геодезических коррелированных наблюдений и адаптивной навигации и кинематического позиционирования. . Ему приписывают улучшение конструкции связи между спутниками BeiDou, создание Китайской геодезической системы координат, создание Китайской национальной сети управления GPS, и он является выдающимся сторонником взаимодействия между BeiDou и другими GNSS.
«Непрерывное развитие глобальных и региональных систем спутниковой навигации обеспечивает важную основу для интегрированных приложений многоспутниковой навигации. Журнал нацелен на распространение последних достижений спутниковой навигации, обсуждение различных академических взглядов и содействие прогрессу технологий. и приложения. Я надеюсь, что спутниковая навигация создаст платформу академического обмена для всех исследователей ». Сказал профессор Юаньси Ян.

Ответственный главный редактор: Шуангэн Цзинь

Вернуться наверх

Шуангген Цзинь — профессор Шанхайской астрономической обсерватории, CAS и декан Школы дистанционного зондирования и геоматической инженерии Нанкинского университета информационных наук и технологий, Китай.Его основные области исследований включают спутниковую навигацию, космическую геодезию, дистанционное зондирование, изменение климата и исследование космоса / планет. Он опубликовал более 400 статей в JGR, IEEE, EPSL, GJI, JG и т. Д. С более чем 4500 цитированием и индексом Хирша более 40, 8 книг / монографий и 10 авторских прав на патенты / программное обеспечение.
Профессор Джин присоединился к Программе ста талантов Китайской академии наук в 2010 году, а также был членом IAG (2011), IUGG (2019), президентом CPGPS (2016-2017), IAPS (2015-2019), Действительный член Российской академии естественных наук (2017 г.) и член Европейской академии наук (2018 г.).

ESA — Как работает спутниковая навигация

Applications

26070 Просмотры
66 классов

Навигационные маяки должны быть как можно более заметными. Таким образом, радионавигационные башни ХХ века, управляющие самолетами, были высотой в сотни метров, а маяки, предупреждающие моряков о коварных водах, достигают десятков метров в высоту или цепляются за возвышенность. По сути, навигационные спутники такие же, за исключением того, что они построены на высочайшей высоте в космосе, что делает их видимыми из любой точки Земли.

Обращение времени в даль

Сигнал, излучаемый каждым спутником, представляет собой микроволновую радиоволну, содержащую время передачи и текущую орбитальную позицию спутника.

Поскольку сигналы распространяются со скоростью света, то (если ваше время достаточно точное), вычисляя разницу во времени между сигналом спутника и вашим приемником, вы можете определить точное расстояние, которое сигнал прошел от спутника до вашего приемник.

Сверхточная спутниковая навигация основана на том же базовом принципе, что и подсчет секунд после вспышки молнии до того, как будет слышен сопровождающий гром, для оценки удаленности шторма: значение времени преобразуется в расчет расстояния.

Как найти свое место

Автомобильная навигация

Объедините входные сигналы от нескольких спутниковых сигналов одновременно — например, одновременный просмотр нескольких маяков — и ваше местоположение будет точно определено.

Привязка к большему количеству сигналов дает большую точность, но четыре — это абсолютный минимум. Три используются для «трехстороннего определения» (трехмерного эквивалента триангуляции) долготы, широты и высоты пользователя, а четвертый — для определения временного сдвига между (точными) часами спутника и (менее точными) часами, встроенными в приемник.

Космический и наземный сегменты

Станция Шпицберген

Компромиссы конструкции привели к тому, что средняя околоземная орбита является оптимальной высотой для группировок навигационных спутников, начиная с американской системы GPS и российской системы ГЛОНАСС.Для этого есть веские практические причины: средние околоземные орбиты относительно стабильны, а спутники движутся по небу относительно медленно. Более низкие орбиты потребуют большего количества спутников для поддержания того же покрытия, в то время как более высокие орбиты уменьшат охват.

Кроме того, требуется обширная наземная инфраструктура, распределенная по всему миру, для передачи навигационных сигналов по восходящей линии связи, поддержания синхронизации различных часов созвездия и коррекции любых бортовых временных или позиционных отклонений.

Пользовательские приемники

Приемник спутниковой навигации в телефоне
Спутниковые навигационные приемники

также выполняют большую работу, содержат «эфемериды» или электронные альманахи, в которых записываются ожидаемые местоположения созвездия, чтобы сократить время, необходимое для обнаружения сигнальных замков с минут до нескольких секунд.

Сигналы спутниковой навигации очень слабые, как будто фары автомобилей светят из одного конца Европы в другой.Сигналы основаны на кодах псевдослучайных чисел, которые идентифицируют каждый спутник в созвездии. Приемник имеет записи каждого из этих сложных кодов, поэтому в приемнике может быть сгенерирована полная копия полученного слабого сигнала и использована для вычислений, выводящих окончательные данные навигации, отображаемые пользователю.

Карта ионосферы

Помехи могут быть проблемой: ионосфера, самые верхние электрически заряженные слои атмосферы Земли могут вызывать задержку сигнала, эквивалентную нескольким метрам в худшем случае.Отражение сигналов от местного окружения, известное как «многолучевое распространение», может вызвать блокировку ложных сигналов и снизить общую точность.

Двухчастотные приемники большего размера могут устранить большую часть «ионных помех», в то время как приемники меньшего размера, такие как встроенные в телефоны или автомобильные приборные панели, полагаются только на одночастотные сигналы, но используют модели программного обеспечения для устранения до половины ошибок.

Нравиться

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

Как работает спутниковая навигация GPS?

Как работает спутниковая навигация GPS? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 8 февраля 2021 г.

Let’s Get Lost — это название джазовой песни 1940-х годов.
классно записан певцом и трубачом Четом Бейкером. Тогда, получив
«потерянный» был не просто романтической идеей, но все же реалистичной. Сегодня это
заблудиться практически невозможно, как ни старайся.
Если вы едете по автостраде или карабкаетесь на Эверест,
вы всегда видите спутники, вращающиеся в космосе
это может сказать вам, где именно вы находитесь.
Гуляя со смартфоном в кармане, вы
иметь свободный доступ к приемнику GPS (Глобальная система позиционирования) , который
может определить ваше местоположение в хороший день с точностью до нескольких метров.Ошибиться
поверните машину, и решительный голос — также
GPS — будет настаивать на том, чтобы «повернуть налево»,
«Поверните направо» или «Иди прямо», пока не вернетесь уверенно.
отслеживать. Даже в автобусе или поезде невозможно выйти
не в том месте. На удобных досках с дисплеем прокручивается название
останавливаться вы хотите задолго до того, как вам нужно будет встать с места. Помимо
помогая нам добраться до пункта назначения, спутниковая навигация может сделать
всевозможные другие вещи, от отслеживания посылок и выращивания урожая до
поиск потерянных детей и руководство слепыми.Но как именно это
работай? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Заблудиться осталось в прошлом благодаря таким мобильным устройствам со встроенными GPS-приемниками и картографическими приложениями.

Что такое спутниковая навигация?

Спутниковая навигация («спутниковая навигация») означает использование портативного радио.
приемник для приема сигналов скорости света с орбитальных спутников
(иногда их называют космическими аппаратами или космическими аппаратами), чтобы вы
может определить ваше местоположение, скорость и местное время.Как правило, это намного точнее, чем другие формы навигации, которые
приходится бороться с надоедливыми проблемами, такими как точное хронометраж
и непогода. Потому что это система вещания , основанная на радиосигналах.
которые достигают всех частей нашей планеты, любое количество людей может использовать их одновременно, где бы они ни находились.

Самая известная система спутниковой навигации, Navstar Global
Система позиционирования (GPS)
, использует около 24 активных спутников (включая резервные). День и ночь, 365 дней в году,
они кружат вокруг Земли каждые 12 часов по орбитальным плоскостям, наклоненным под углом 55 градусов к экватору.Где бы вы ни были, вы обычно видите по крайней мере полдюжины из них, но
вам нужны сигналы только от трех или четырех, чтобы определить вашу позицию
с точностью до нескольких метров.

Фото: Спутник NAVSTAR GPS во время строительства на Земле в 1981 году.
Вы можете получить представление о размерах спутника по изображению инженера на некотором расстоянии под ним. Изображение любезно предоставлено
Министерство обороны США.

GPS был запущен военными США в 1973 году, и его оригинальные спутники были рассчитаны на срок службы около 7 человек.5 лет, но ожидается, что последнее поколение прослужит вдвое дольше. Всего было запущено около 60 спутников Navstar в трех разных поколениях и нескольких отдельных группах, называемых блоками, хотя многие из них уже выведены из эксплуатации. На момент написания последнего запуска Navstar (первого спутника третьего поколения) был спутник GPSIII SV01 23 декабря 2018 года.

GPS состоит из трех основных компонентов, технически известных как «сегменты»: одна часть в космосе,
одна часть на земле, а другая в кармане.24 спутника образуют так называемый «космический сегмент» GPS, но
система также опирается на сложную наземную сеть антенн,
мониторы и посты управления («сегмент управления»),
сосредоточена на главной станции управления (MCS) на базе ВВС Шрайвер в
Колорадо, США (с дублёром на базе ВВС Ванденберг в г.
Калифорния). Помимо космического и контрольного сегментов, другая важная часть спутника
Навигация — это «сегмент пользователя» — электронный приемник, который вы держите в руке или носите в автомобиле.

Фото: GPS в прежнем виде. В 21 веке большинство смартфонов имеют встроенные приемники GPS и легко помещаются в карман рубашки. Еще в 1978 году это было то самое современное оборудование GPS, которое вам понадобилось бы для того, чтобы делать то же самое: большой портативный приемник, гигантский рюкзак и очень большая антенна! Фото любезно предоставлено ВВС США.

Триангуляция

Определение вашего местоположения по спутниковым сигналам — высокотехнологичная версия
старинного трюка мореплавателя, получившего название «триангуляция».Предположим, вы идете по лесу по совершенно ровной местности,
но ты не знаешь, где ты. Если вы видите ориентир через
деревья (может быть, дальний холм), и вы можете догадаться, как далеко он
есть, вы можете посмотреть на карту и понять, что вы должны быть где-то
на окружности, радиус которой (расстояние от холма) равен расстоянию
вы догадались. Только одна достопримечательность не может сузить вашу позицию
больше чем это. Но что, если вы вдруг увидите вторую веху в
другое направление. Теперь вы можете повторить процесс: вы должны быть
на определенном расстоянии от этого объекта, где-то на втором круге.Сложите эти две части информации вместе, и вы поймете, что должны быть
где-то там, где встречаются два круга — один из двух
места на земле. С помощью третьего ориентира вы можете сузить
положение в единую точку. И в этом суть
простая триангуляция (более подробное введение вы найдете на
Компас Чувак).
Триангуляция работает с прямой видимостью и небольшими предположениями, с компасом и картой, а также с более изощренными методами, такими как радиосигналы и радар. И это также работает более изощренно, используя космические спутники.

Фото: сэр Фрэнсис Дрейк (около 1540–1596 гг.) Был вторым человеком, совершившим кругосветное путешествие.
финишировал в 1580 году. Первым был Фердинанд Магеллан (1480–1521), португальский исследователь, совершивший кругосветное плавание с большим мастерством и храбростью. Между 1519 и 1521 годами Магеллан и его команда первыми обогнули планету, доказав, что «плоская Земля» на самом деле была более или менее сферической. Заманчиво представить, насколько легче была бы жизнь Магеллана со спутниковой навигацией, но это неверно интерпретирует логику вещей.Без проницательности Магеллана у нас вообще не было бы спутниковой навигационной технологии: чтобы создать ее и заставить работать, нам нужно было знать, что мы живем на круглой Земле с самого начала!

Трилатерация

Благодаря спутниковой навигации ваши навигационные «ориентиры»
космические спутники, летящие по небу над вашей головой.
Поскольку они находятся на расстоянии около 20 000 км (12 600 миль), далеко за пределами атмосферы Земли,
и поскольку они постоянно движутся (а не неподвижны, как ориентиры на Земле), определение вашего местоположения
с ними немного сложнее.Если вы принимаете сигнал с одного спутника и знаете, что это
На расстоянии 20000 км вы должны быть где-то на сфере
(не круг) радиусом 20 000 км, с центром на этом спутнике. С
два сигнала от двух разных спутников, вы должны быть где-то
где встречаются две сферы (где-то в круге перекрытия). Три
сигналы помещают вас в одну из двух точек на этом круге — и это
обычно достаточно, чтобы понять, где вы находитесь, потому что одна из точек
может быть в воздухе или посреди океана.Но с четырьмя
сигналы, вы точно знаете свое положение. Определение вашего местоположения в этом
способ называется трилатерацией .

Как работает GPS

Фото: Впечатление художника от 24 спутников NAVSTAR на орбите вокруг Земли.
Изображение предоставлено Министерством обороны США.

Все системы спутниковой навигации в целом работают одинаково. Там
состоят из трех частей: сеть спутников, станция управления где-то
на Земле, которая управляет спутниками, и принимающим устройством, которое вы
носить с собой.

Каждый спутник постоянно излучает радиоволны.
сигнал к Земле. Приемник «прислушивается» к этим сигналам и,
если он может принимать сигналы от трех или четырех разных спутников, он
может определить ваше точное местоположение (включая вашу высоту).

Как это работает? Спутники остаются в известных положениях, а
сигналы движутся со скоростью света. Каждый сигнал содержит информацию
о спутнике, с которого он пришел, и отметке времени, в которой указано, когда он
покинул спутник.Поскольку сигналы являются радиоволнами, они должны распространяться
со скоростью света. Заметив, когда приходит каждый сигнал, приемник
можно узнать, сколько времени потребовалось в пути и как далеко оно продвинулось — в
Другими словами, как далеко он находится от передающего спутника. С тремя или
четыре сигнала, приемник может точно определить, где он находится на Земле.

Где ты в мире?

  1. Если ваш спутниковый ресивер принимает сигнал от желтого спутника, вы должны быть где-то на желтой сфере.
  2. Если вы также принимаете сигналы от синих и красных спутников, вы должны быть в черной точке, где сигналы от
    встречаются три спутника.
  3. Для определения местоположения таким образом необходим сигнал минимум от трех спутников.
    (и четыре спутника, если вы хотите определить свою высоту). Поскольку спутников GPS гораздо больше, у вас больше шансов найти себя, где бы вы ни находились.

Как спутниковая навигация рассчитывает расстояние от времени?

Предположим, у вас есть мобильный телефон с GPS или спутниковая навигация.
в твоей машине.Как он узнает точное расстояние до трех
или четыре спутника, которые он использует для вычисления вашего местоположения? Каждый спутник
постоянно излучает сигналы, которые, по сути,
записи о его положении в то время с отметками времени.
Поскольку они переносятся радиоволнами, сигналы должны распространяться со скоростью света (300 000 км или 186 000 миль в секунду). Теоретически, тогда, если приемник принимает сигналы через некоторое время и имеет собственные часы, он знает, сколько времени потребовалось сигналам, чтобы добраться от спутника, и как далеко они прошли (потому что расстояние = скорость × время).Это звучит как хорошее и простое решение, но оно порождает еще две проблемы.

Во-первых, сколько времени требуется сигналу на прохождение? Нет
мы просто поменяли одну задачу на другую (время на расстояние)? В
решение этой проблемы включает высокотехнологичный вариант «синхронизации
часы »: каждый спутник несет четыре сверхточных
атомные часы (два цезиевых и два рубидиевых, обычно с точностью до одной секунды за 100000 лет), в то время как
приемники (которые имеют менее точные собственные часы) получают свои сигналы и компенсируют время, которое требуется
чтобы они отправились вниз из космоса.Это означает, что каждый приемник может определить, сколько времени потребовалось каждому сигналу, чтобы достичь его, и
следовательно, как далеко он проехал.

Во-вторых, хотя радиоволны действительно распространяются со скоростью
света, они делают это только в вакууме (в совершенно пустом пространстве).
Радиосигналы, идущие к нам с космических спутников, не
путешествовать через пустое пространство, но через атмосферу Земли, включая ионосферу (верхняя область земной
атмосфера, содержащая заряженные частицы, которые помогают радиоволнам распространяться
путешествия) и тропосферы (турбулентная, незаряженная область
атмосфера, в которой бывает погода, которая простирается примерно на 50 или 30 км
миль над поверхностью Земли).Ионосфера и тропосфера искажаются
и задерживают спутниковые сигналы довольно сложными способами,
разные причины, которые мы здесь не будем вдаваться, и у GPS-приемников
для компенсации, чтобы гарантировать, что они могут делать точные измерения расстояния.

Военный и гражданский GPS чем-то отличаются?

Фото: Ракеты и дроны со спутниковым наведением используют версию GPS PPS военного уровня, которая теоретически более точна, чем гражданская GPS. Фото Николаса Мессины любезно предоставлено
ВМС США.

GPS изначально задумывался как военное изобретение, которое
дают силам США преимущество перед другими странами, но их изобретатели
вскоре понял, что система будет столь же полезна для гражданского населения.
Единственная проблема заключалась в том, что гражданские лица (или вражеские силы) могли подобрать
те же сигналы, где это оставит их военное преимущество?
По этой причине они разработали два разных «вкуса».
GPS: высокоточный военный, известный как Precise
Служба позиционирования (PPS)
, а также несколько ухудшенная гражданская версия
позвонил по номеру Служба стандартного позиционирования (SPS) .Приемники с поддержкой PPS
изначально мог определять местонахождение объектов с точностью около 22 м (72 фута), приемники SPS
были намеренно сделаны примерно в пять раз менее точными (с точностью до
длина футбольного поля, или около 100 м) с помощью настройки Selective Availability (SA).
Он был отключен по приказу президента США Билла Клинтона в мае 2000 года, что значительно улучшило его положение.
точность для гражданских пользователей, и во многом именно поэтому с тех пор GPS так быстро стал популярным.
Даже гражданские SPS-приемники теперь официально имеют точность в пределах «13 метров (95 процентов) по горизонтали и 22 метра (95 процентов) по вертикали», хотя и разные
различных ошибок (вызванных атмосферой, препятствиями, закрывающими прямую видимость спутников, отражениями сигналов,
атмосферные задержки и т. д.) могут усугубляться, иногда делая их гораздо менее точными.

Теоретически, военные и гражданские GPS могли бы быть такими же точными, как и друг друга, если бы нам не приходилось беспокоиться о их перемещении в атмосфере Земли. По официальному сайту
GPS.gov: «Точность сигнала GPS в космосе фактически одинакова как для гражданской службы GPS (SPS), так и для военной службы GPS (PPS)». На практике, пока SPS-сигналы транслируются
используя только одну частоту, PPS использует две. Сравнение двух частот позволяет
GPS-приемники военного класса для точного расчета поправок на радио
задержки и искажения, вызванные передачей через атмосферу, и это по-прежнему дает военному GPS преимущество перед
гражданские системы.Со временем гражданские GPS будут становиться все более популярными.
точным, особенно когда больше спутников (и больше разных спутников
систем), но вполне вероятно, что военные системы всегда будут
иметь преимущество по той или иной причине.

Спутниковые сигналы GPS

Спутники

Navstar постоянно транслируют две разные разновидности GPS, PPS и SPS,
на двух разных радиочастотах (несущих волнах), известных как L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,6 МГц).
L1 передает сигнал гражданского кода SPS (также известный как код C / A или код грубого обнаружения), который является относительно коротким и транслируется примерно 1000 раз в секунду, и так называемое сообщение с навигационными данными , которое включает в себя дата и время, сведения об орбите спутника и другие важные данные.L2 несет военный PPS-код , также известный как P-код (точный код), который очень длинный и точный, и на его передачу уходит целая неделя. Он зашифрован, чтобы сформировать так называемый Y-код , отчасти для того, чтобы только авторизованные пользователи могли получить к нему доступ, а отчасти (потому что шифрование — это форма подписи вещей для подтверждения их подлинности), чтобы помочь предотвратить такие вещи, как «спуфинг» (где третьи стороны передают поддельные, разрушительные сигналы, якобы исходящие от спутников GPS).Приемники GPS военного уровня улавливают обе частоты и сравнивают их, чтобы скорректировать влияние ионосферы. Гражданские приемники улавливают только одну частоту и вместо этого должны использовать математические модели для корректировки ионосферы.

Приложения спутниковой навигации

Большинство из нас используют спутниковую навигацию, чтобы добраться до мест, где мы
никогда раньше не было, но это относительно тривиальное приложение. Один раз
вы можете определить свое точное местоположение на Земле и многое другое
становятся возможными интересные вещи.Прокатитесь вперед на несколько
десятилетиями до того момента, когда все автомобили будут иметь на борту спутниковую навигацию и могут управлять
сами автоматически. Теоретически, если машина знает, где она
всегда и может передавать эту информацию какому-то
централизованная система мониторинга, мы могли бы решить такие проблемы, как городские
заторы, поиск мест для парковки и даже угон авто одним махом.
Если каждая машина знает свое местонахождение и знает, где находятся ближайшие машины,
движение по шоссе может стать как быстрее , так и безопаснее ; это не будет
больше полагаться на бдительность подверженных ошибкам человеческих водителей, слишком легко
смущает усталость и непогода, поэтому автомобили смогут путешествовать
при гораздо более высоких плотностях.То же самое и с самолетами, где есть GPS.
наконец-то стал неотъемлемой частью воздушного движения
контроль — постепенно уменьшая нашу историческую чрезмерную зависимость от
радар — в течение следующего десятилетия.

Фото: многие тракторы, комбайны и уборочные машины теперь оснащены GPS.

И не только автомобили и самолеты выиграют от точного определения местоположения.
точность. Для аварийных служб и поисково-спасательных служб,
навигация в отдаленные, иногда неизведанные места, в спешке,
делает всю разницу между жизнью и смертью.Фермеры были
использование систем GPS на тракторах, комбайнах и уборочных машинах для картографирования,
сажайте, управляйте и собирайте урожай эффективно и точно.
По данным отраслевого органа, называемого GPS Alliance, высокоточная спутниковая навигация
увеличили урожайность сельскохозяйственных культур в США почти на 20 миллиардов долларов с 2007 по 2010 год и
в настоящее время используется в 95 процентах случаев опудривания сельскохозяйственных культур. Между тем, сельскохозяйственные животные,
домашних животных и редкую дикую природу легче, чем когда-либо, отслеживать с помощью
Ошейники и рюкзаки с функцией GPS. Слепые люди, традиционно руководимые
Собаки-поводыри или локти друзей и родственников могут, наконец,
обрести настоящую независимость, оснащенную портативными системами GPS,
например, Trekker Breeze, который может объявлять названия улиц или читать устную
направления от A до B.Излишне говорить, что система, задуманная
военное дело по-прежнему используется во многих областях, от руководства
так называемые «умные бомбы» по своим целям с высокой точностью.
для помощи войскам в перемещении по незнакомой местности. GPS как
стандартная часть современной военной техники в виде карт и компасов
были 100 лет назад.

Фото: спутник GPS IIR-12 выведен на орбиту
трехступенчатая космическая ракета Boeing Delta II, 23 июня 2004 г. Фото Карлтона Бейли любезно предоставлено ВВС США.

Rival спутниковые навигационные системы

В Соединенных Штатах GPS повсеместно используется как синоним
любой вид спутниковой навигации; в других странах такие
в Великобритании «спутниковая навигация» — более знакомый общий термин. Фактически, GPS
это только одна из нескольких глобальных систем спутниковой навигации. Советский Союз
запустила конкурирующую систему под названием ГЛОНАСС в 1982 г. (также использующая 24
спутники), и Россия продолжает его эксплуатировать сегодня. Европа была
медленно строит свою собственную, более точную 30-спутниковую систему, называемую
Galileo, строительство которого ожидается в 2021 году, и Китай.
завершила работу над своей 13-спутниковой системой Beidou в августе 2020 года.Предпочитаемый зонт
термин для глобальных систем спутниковой навигации — GNSS (Global Navigation
Спутниковые системы). Помимо четырех больших глобальных систем, существуют
также несколько более мелких региональных конкурентов, в том числе китайская BeiDou и
IRNSS Индии.

Хотя данный спутниковый ресивер обычно предназначен для использования
только одна из глобальных систем, нет причин, почему она
нельзя использовать сигналы от двух или более одновременно. Теоретически
объединение сигналов от GPS, ГЛОНАСС и Галилео может дать спутниковую навигацию
что-то вроде 10-кратного увеличения точности, особенно в
городские районы, где высокие здания могут блокировать или искажать сигналы,
снижение точности какой-либо одной системы, используемой отдельно.Использование нескольких
Systems также обещает сделать спутниковую навигацию намного быстрее: если
больше спутников «в поле зрения», так называемое время до первого исправления
(TTFF) — начальная задержка до того, как ваша спутниковая навигатор зафиксирует спутники,
загружает необходимые данные и готов приступить к расчету вашего
положение — уменьшено. Поскольку TTFF обычно варьируется примерно от 30
от секунд до нескольких минут, это имеет большое значение для обычного GPS
пользователей (и это одна из первых функций, которую люди сравнивают, когда
посмотрите на покупку нового приемника спутниковой навигации).

Проблемы и проблемы

Знание абсолютного положения чего угодно, в любое время и в любом месте
приносит очевидные преимущества в глобализованном мире, который полагается на быстрые,
безопасный и надежный транспорт. Но это тоже вызывает проблемы. Если
гражданских транспортных систем рассчитаны на
спутниковые системы, предоставленные США или Россией военный , не
которые делают нас слишком уязвимыми для внезапных поворотов международного
политика, особенно во время войны? Хотя американских военных нет
дольше обычно ухудшает качество сигналов GPS и объявляет
в сентябре 2007 г. будет удалена выборочная доступность
вообще из будущих версий спутников GPS, в настоящее время еще может благородно
система в любое время, когда ей заблагорассудится.Может ли будущий мир без водителя
автомобили, сверхэффективная доставка посылок и автоматизированное воздушное сообщение
быть ввергнутым в хаос чисто по прихоти сверхдержав?
Европейский проект Galileo — это полностью гражданская система, которая
должен вовремя исключить возможное военное вмешательство. Но для
На данный момент это остается проблемой.

Быстро исчезающая конфиденциальность — это оборотная сторона одной медали. Если
ваша машина и ваш мобильный телефон оснащены спутниковой навигацией, и вы
всегда используя один или другой (или оба), ваши движения могут быть
отслеживается постоянно.Это вызывает очевидные проблемы с конфиденциальностью, особенно
в репрессивных государствах. Но каждая новая технология имеет свои плюсы и минусы, от двигателей внутреннего сгорания до
пистолеты-пулеметы и атомные электростанции с антибиотиками.
Прогресс предполагает поиск компромисса между выгодами и затратами в надежде на то, что
делать дела лучше, чем когда-либо раньше. Спутниковая навигация есть
ничем не отличается, замена безопасной и ненадежной навигации на
эффективный и эффективный транспорт, хотя и за счет конфиденциальности
и (пока) продолжающаяся зависимость от военной инфраструктуры.

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний
Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На других сайтах

Статьи

  • В Америке проблема с GPS, Кейт Мерфи. The New York Times, 23 января 2021 года.
    Нужно ли Соединенным Штатам лучшее резервное копирование GPS для защиты от помех, помех и сбоев?
  • Файлы FAA раскрывают неожиданную угрозу безопасности полетов: U.Тесты GPS S. Military, Марк Харрис. IEEE Spectrum, 21 января 2021 г. Как военные тесты на подавление сигналов GPS могут привести к катастрофе авиакомпании.
  • Китай запускает Beidou, собственную версию GPS от Эндрю Джонса. IEEE Spectrum, 12 августа 2020 г. Как Китай построил своего конкурента GPS с 13 спутниками.
  • Первый построенный Lockheed Martin спутник GPS III следующего поколения, отвечающий на команды: пресс-релиз Lockheed Martin, 23 декабря 2018 г. Краткий обзор спутников GPS последнего поколения.
  • Почему ваш GPS-приемник не больше хлеба от Tekla S.Перри. IEEE Spectrum, 19 апреля 2018 г. Интервью с Брэдфордом В. Паркинсоном, одним из пионеров технологии GPS.
  • Сверхточный GPS на смартфоны в 2018 году, автор Самуэль К. Мур. IEEE Spectrum, 23 октября 2017 г. Новое поколение смартфонов GPS будет иметь точность до 30 см (1 фут).
  • Защита GPS от спуферов имеет решающее значение для будущего навигации Марк Л. Псиаки и Тодд Э. Хамфрис. IEEE Spectrum, 29 июля 2016 г. Трудно, но возможно, подделать сигналы GPS, что может привести к тому, что корабли и лодки окажутся на пути к катастрофе.Какие есть технические методы защиты от спуферов?
  • Что автономные устройства GPS не могут сделать смартфоны, Эрик А. Тауб. The New York Times, 15 июля 2015 г. По-прежнему есть веские причины для приобретения автономного устройства GPS, хотя теперь у смартфонов есть большие экраны, разрыв между двумя типами устройств быстро сокращается.
  • Российская Глобальная Навигационная Система, ГЛОНАСС, Неудача Джеймс Оберг, IEEE Spectrum, 1 февраля 2008 г. Может ли альтернатива России когда-либо надеяться конкурировать с GPS?
  • Конец задержки рейса? Исправление GPS FAA могло сломать Sky Gridlock Барбара С.Петерсон, Popular Mechanics, 19 июля 2007 г. Введение в использование GPS в управлении воздушным движением.

Книги

  • Глобальная система позиционирования: общий национальный ресурс Совета по аэронавтике и космической технике Национального исследовательского совета. National Academies Press, 1995. Технический отчет, в котором оценивается успех GPS и даются рекомендации по его будущему развитию как совместной гражданской и военной системы.

Технические ссылки

Патенты

  • Патент США 5663734: GPS-приемник и метод обработки GPS-сигналов Нормана Ф.Краснер, Precision Tracking, Inc. 2 сентября 1997 г. Подробное техническое описание того, как работает типичный приемник GPS.
  • Патент США 5 841 396: GPS-приемник, использующий канал связи, разработан Норманом Ф. Краснером, Snaptrack, Inc. Другой патент Краснера, касающийся вспомогательной GPS.
  • Патент США 5841396: Определение местоположения мобильной станции с использованием множества беспроводных сетей и приложений для них Чарльз Л. Карр, Tracbeam LLC. 4 октября 2005 г. Другой патент, описывающий «GPS с поддержкой», который объединяет GPS и беспроводные сети.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2007/2019) Спутниковая навигация. Получено с https://www.explainthatstuff.com/howgpsworks.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

GNSS

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) включают в себя созвездия спутников на околоземной орбите, которые транслируют свое местоположение в пространстве и времени, сетей наземных станций управления и приемников, вычисляющих положение на земле путем трилатерации. ГНСС используются во всех видах транспорта: космических станциях, авиации, морском, железнодорожном, автомобильном и общественном транспорте.Позиционирование, навигация и синхронизация (PNT) играют решающую роль в телекоммуникациях, топографической съемке, правоохранительной деятельности, реагировании на чрезвычайные ситуации, точном земледелии, горнодобывающей промышленности, финансах, научных исследованиях и т. Д. Они используются для управления компьютерными сетями, воздушным движением, электросетями и многим другим.

В настоящее время GNSS включает в себя две полностью работающие глобальные системы, США.
Глобальная система позиционирования (GPS) и Российская Федерация
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), а также развивающиеся глобальные и региональные системы, а именно европейские
Европейская спутниковая навигационная система (GALILEO) и китайская
КОМПАС / Бей-Доу, Индия
Региональная навигационная спутниковая система (IRNSS) и японская
Квазизенитная спутниковая система (QZSS).Как только все эти глобальные и региональные системы станут полностью работоспособными, пользователь получит доступ к сигналам позиционирования, навигации и синхронизации с более чем 100 спутников.

В дополнение к этим, существуют спутниковые системы функционального дополнения, например, США.
Система увеличения зоны действия (WAAS),
Европейская геостационарная навигационная служба (EGNOS), Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (SDCM), индийская GPS-навигация с гео-расширением (GAGAN) и японские многофункциональные транспортные спутники (MTSAT), спутниковые системы дополнения (MSAS).Сочетание их с проверенными наземными технологиями, такими как инерциальная навигация, откроет дверь для новых приложений, приносящих социально-экономические выгоды. Последние — это приложения, требующие не только точности, но и особой надежности или целостности. Важные для безопасности транспортные приложения, такие как посадка гражданских самолетов, имеют строгие требования к точности и целостности.

Успешное завершение работы
Международный комитет по глобальным навигационным системам (ICG), в частности, в установлении взаимодействия между глобальными системами, позволит пользователю GNSS использовать один прибор для приема сигналов от нескольких спутниковых систем.Это обеспечит дополнительные данные, особенно в городских и горных регионах, и большую точность измерения времени или местоположения. Чтобы воспользоваться этими достижениями, пользователи GNSS должны быть в курсе последних событий в областях, связанных с GNSS, и наращивать потенциал для использования сигнала multi-GNSS.

Таким образом, конкретные цели внедрения GNSS приоритетной области
Программа Организации Объединенных Наций по применению космической техники — это демонстрация и понимание сигналов, кодов, предубеждений и практических применений GNSS, а также последствий предполагаемой модернизации.

Спутниковая навигация | Дом

— Сегодня люди не могли жить без службы навигации и позиционирования. Благодаря широкому использованию спутниковой навигации появляется больше рабочих мест и преимуществ. Создание большего количества рабочих мест, получение возможностей и экономический эффект.

-Многочастотная и мультисистема, характеризующаяся особенностью BeiDou, основанная на системе GNSS, объединяет навигацию и приложение, интеллектуальную комбинацию и приложение.

-Мультисистема. Помимо основных глобальных систем, развитие регионов стремительно улучшается. Индия и Япония активно развивают свои региональные системы. Количество приложений, основанных на этой технологии, увеличилось, особенно в BeiDou. Многие люди занимаются исследованиями, и их число продолжает расти.

-Создание междисциплинарного и междисциплинарного журнала, включающего систему GNSS, информацию, пространственно-временные эталоны, высокоточные PNT и приложения для геофизических исследований.

— Редакция интернациональная, в том числе мультисистемный дизайнер. Они имеют опыт создания навигационных систем и научных приложений. Главный редактор — дизайнер глобальной спутниковой навигационной системы BeiDou. Редакционная группа на 60% состоит из зарубежных редакторов. Все они являются элитными учеными и всемирно известными.

— Отделом академической поддержки нашего журнала является Китайская конференция по спутниковой навигации (CSNC). Ежегодно в нашей конференции будет участвовать более 3000 делегатов.Мы могли бы эффективно собирать статьи, и конференция также могла бы стать платформой для сбора статей.

— Есть много международных пропагандистских конференций и много молодых исследователей. У нашего журнала много читателей, много цитируемых и очень влиятельных.

— сократить время проверки и публикации статьи и, следовательно, повысить эффективность работы.

— повысить узнаваемость журналов с помощью рекламной поддержки со стороны профессиональных издательских организаций или компаний,

— привлечь больше заявок и читателей с международных конференций по навигации с большим количеством выставок и распространения,

— увеличить количество цитируемых статей с распространением среди мировых университетов и сообществ, и, следовательно, способствовать тому, чтобы стать журналом с индексом SCI.

· Представить новые результаты и прогресс в теории и развитии многочастотной глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), в частности, китайской навигационной системы BeiDou.

· Показать новые приложения и режимы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT), такие как интегрированный PNT, micro PNT и PNT устойчивости и т. Д.

· Публикация услуг и интеллектуальных приложений на основе определения местоположения, например, интеллектуальных транспортных систем, определения местоположения внутри помещений, сенсорных сетей и служб определения местоположения.
· БТР полностью покрываются Институтом исследований аэрокосмической информации, авторам не нужно платить.

Введение в курс спутниковой навигации и позиционирования | Инженерные курсы

AAE57500

Кредитные часы:

3

Цель обучения:

Познакомить студентов технических и естественных наук с методами спутниковой радионавигации. Ключевые физические принципы (например, орбиты, системы отсчета, распространение электромагнитных волн, атмосферные эффекты и статистическая оценка) будут описаны с точки зрения их применения для обеспечения работы всей навигационной системы.Особое внимание будет уделено особой архитектуре Глобальной системы позиционирования США (GPS) и системы Galileo, разрабатываемой в Европе.

Описание:

Этот курс предназначен как для студентов, которые заинтересованы в разработке новых технологий спутниковой навигации (например, приемников, обработки сигналов или программного обеспечения), так и для студентов, желающих применить методы спутниковой навигации для решения проблем их собственные области (например, авианавигация, отслеживание транспортных средств, определение местоположения беспроводных устройств, геодезия, сельское хозяйство и науки о Земле).Курс будет проходить через все этапы навигационной проблемы, начиная со структуры передаваемых сигналов и определения систем координат, до их интеграции с ключевыми физическими моделями для генерации оценок положения конечного пользователя.

Охваченные темы:

Введение (1 неделя)
Структура сигнала (2 недели)
Спутниковый поиск (2 недели)
Базовые измерения GNSS (1 неделя)
Атмосферные эффекты и двухчастотные измерения (2 недели)
Позиционирование фазы несущей (2 недель)
Системы координат и время (1 неделя)
Орбиты и сообщение данных (2 недели)
Навигационные решения (2 недели)

Предварительные требования:

Знание динамики и линейных систем.Опыт компьютерного программирования (желательно MATLAB).

Прикладная / Теория:

70/30

Веб-адрес:

https://mycourses.purdue.edu/

Веб-контент:

Программа, оценки, лекции, домашние задания, решения, чат, WebEx и доска объявлений.

Домашнее задание:

Домашние задания от 5 до 6. Домашние задания потребуют значительного объема компьютерного программирования и обработки данных. Домашние работы будут отправляться через Blackboard.

Проектов:

Каждый студент должен будет заполнить всесторонний обзор литературы по выбранной им теме, выбранной после консультации с преподавателем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *