Спутниковые системы навигации

Курсовая работа
на тему:
«Спутниковые системы навигации»
Трёхгорный 2009

Введение
Идея создания спутниковойнавигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первыйискусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером,наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаряэффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближенииспутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, чтоесли Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измеритьположение спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты.
Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутниквыведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников,необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в1993 г., таким образом Глобальная система позиционирования или сокращённоGPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точногонаведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и наземле. Также с помощью системы вмонтированной в спутники стало реальноопределять мощные ядерные заряды, находящиеся на поверхности планеты.
Первоначально GPS – глобальная система позиционирования,разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. былсбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт КорейскихАвиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешилчастичное использование системы навигации для гражданских целей. Но точность была уменьшенаспециальным алгоритмом.
Затем появилась информация о том, что некоторые компаниирасшифровали алгоритм уменьшения точности и с успехом компенсируют этусоставляющую ошибки, и в 2000 г. это загрубление точности было отмененоуказом президента США.

1. Спутниковая система навигации
Спутниковаясистема навигации – комплексная электронно-техническаясистема, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования,предназначенная для определения местоположения (географических координат ивысоты), а также параметров движения (скороти и направлення движения и т.д.)для наземных,водных и воздушных объектов.
1.1 Что такое GPS?
Спутниковаянавигационная система GPS была изначально разработана США для использования ввоенных целях. Другое известное название системы – «NAVSTAR». Ставшее уженарицательным название «GPS» является сокращением от Global Positioning System,которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это названиеполностью характеризуется предназначение системы – обеспечение навигации навсей территории Земного шара. Не только на суше, но и на море и в воздухе.Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь можетопределить свое текущее местоположение с высокой точностью.
Такая точность, во многом, стала возможной благодаря шагамАмериканского правительства, которое в 2000 году сделало систему GPS доступнойи открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощьюспециального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) впередаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до70–100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысиласьдо 3–10 метров.
Фактически, это событие дало мощный импульс для развития бытовойнавигационной GPS аппаратуры, снижению ее стоимости, и активной еепопуляризации среди обычных пользователей. На текущий момент, GPS приемникиразных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности,начиная от обычной навигации, заканчивая персональным контролем иувлекательными играми, типа «Geocaching». По результатам многихисследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономическийэффект для мировой экономики и экологии – повышается безопасность движения,улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.
Растущая зависимость европейской экономики от системы GPS, и, какследствие, от администрации США, вынудила Европу начать разработку собственнойнавигационной системы – Galilleo. Новая система во многом похожа на систему GPS.

2. Состав системы GPS
 
2.1 Космическийсегмент
Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировкиспутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-иорбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутниксовершает два полных оборота вокруг Земли.
Первый спутник был запущен в феврале 1978 года. Его размер сраскрытыми солнечными батареями равнялся 5 метрам, а вес – более 900 кг. Этобыл спутник первой модификации GPS-I. За последние 30 лет, на орбите сменилосьнесколько модификаций GPS спутников: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процессемодернизации снижался вес спутников, улучшалось стабильность бортовых часов,повышалась надежность.
GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотахL1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц),доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3–10метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использованиесигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсироватьионосферные задержки.
В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый«гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.
Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру,соответствующему «псевдошумовому коду», уникального для каждого спутника. Втехнической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этаперазработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, чтоколичество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялисьдля новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этогоколичества было достаточно для нормального функционирования системы. Но внастоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31функционирует в рабочем режиме, передавая навигационный сигнал на Землю.
«Избыточность» спутников позволяет обеспечить пользователювычисление позиции в условиях, где «видимость» неба ограничена высотными зданиями,деревьями или горами.
2.2 Наземныйсегмент
Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций иглавной станции управления, расположенных на военных базах США – на островахКваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на островеДиего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс, они преведены на рисунке 1. В задачи станций мониторинга входит прием и измерениенавигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного родаошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработкаполученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников отзаданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационныхсообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практическинепрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбити поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, вмомент, когда он находится в зоне доступа станции управления.
В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частныхи государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPSсигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

/>
Рисунок 1
2.3 Аппаратурапользователей
Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационныеприемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущейпозиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на«бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так какиногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPSприемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов,использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п.Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят всостав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкоераспространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны идругие мобильные устройства.
Поэтому в навигации большее распространение получилоделение GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, длявычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационныхсообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов,стоимостью 100–2000 долларов.
Вторая категория навигационных GPS приемников использует не толькоданные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. Вбольшинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2)геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностьюв несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTKрежиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовойстанции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

3.Работа GPS-навигатора
Основной принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давноиспользуется для навигации и ориентирования: если вы точно знаетеместоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, томожно начертить окружность (в 3-х мерном случае – сферу), на которой должнабыть расположена точка вашего положения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е.радиус, достаточно велик, то можно заменить дугу окружности отрезком прямойлинии. Если провести несколько таких линий, соответствующих разным репернымориентирам, то точка их пересечения укажет ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжиныспутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте ~ 17 000 кмнад поверхностью Земли. Скорость их движения весьма велика, однако параметрыорбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовымкомпьютерам. Важной частью любого GPS-навигатора является обычный приемник,работающий на фиксированной частоте и постоянно «прослушивающий» сигналы,передаваемые этими спутниками. Каждый из спутников постоянно излучаетрадиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состояниибортового оборудования и о точном времени. Изо всей этой информации данные оточном бортовом времени являются наиболее важными: GPS-приемник с помощьювстроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получениемсигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и т.о. узнаетрасстояние между спутником и приемником.
 
3.1 Нестабильностьчасов приемника
Из описанного выше принципа видно, что для определенияместоположения достаточно поймать сигналы от двух спутников и построить двепересекающиеся прямые. Однако на практике точность такого метода была бынедостаточной из-за наличия ошибки часов приемника. Дело в том, что спутники,находящиеся на орбите, имеют на борту очень точные и, естественно, дорогостоящиеатомные часы. Что же касается GPS-приемников, особенно бытовых, тоиспользование таких часов было бы неоправдано в смысле габаритов и стоимости.Это было одной из серьезных проблем, с которыми столкнулись разработчики – ведьнеточность хода часов всего в одну тысячную секунды приводила бы к ошибке более250 км! Для решения этой проблемы и для возможности использования в GPS-приемникахобычных кварцевых часов (аналогичных тем, которые используются в быту) былопредложено использовать не два, а три реперных ориентира, т.е. трипересекающиеся прямые. Как же это работает?
Предположим, что часы GPS-радиоприемника немного спешат, т.е.измеренное время прохождения радиоволн будет больше реального. Это означает,что обе расчитанные линии, и, следовательно, точка их пересечения будутнаходиться на большем расстоянии от ориентиров (спутников), чем на самом деле.Если же часы отстают, то точка пересечения переместится ближе к спутникам.Возмем теперь третий ориентир (спутник). Легко видеть, что пересечение трехлиний даст нам треугольник, размеры и положение которого могут меняться взависимости от хода часов. Более того, учитывая, что неточность часов для всехтрех сигналов будет практически одинаковой, можно автоматически подобрать такуювеличину коррекции, которая обеспечит пересечение всех трех линий в однойискомой точке.
3.2 Принципдействия GPS
Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определениирасстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPSспутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационныхсообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущееместоположение, как точку пересечение трёхокружностей (рисунок 2). Расстояниедо спутников определяется простым уравнением
R = t × c,
где t– время распространения радиосигнала от спутника донаблюдателя, а с – постоянная величина, равная скорости света.Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPSприемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.
/>
Рисунок 2
Чтобы определить момент, в который сигнал был «отправлен» соспутника, навигационное сообщение модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом,соответствующим номеру спутника. Аналогичная последовательность генерируется вGPS приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый соспутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» вприемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный такимобразом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать временипрохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовыхпосылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены влюбой момент времени.
Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPSприемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью.Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколькодесятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычислениепозиции.
Но если на GPS спутниках установлены атомные часы, имеющие оченьвысокую точность и стоимость которых составляет несколько сотен тысяч долларов,то в обычных GPS навигаторах использование таких дорогих источников частотыпросто невозможно. В GPS навигаторах используются недорогие кварцевыегенераторы, которые имеют существенно меньшую точность. Поэтому для вычисления«уходов» кварца при решении навигационной задачи используются измерения 4-госпутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными – координатами X,Y, Z и временем T. Именно по этой причине измеренное расстояние до спутниковназывают «псевдодальностью», подразумевая, что оно содержит ошибку связанную снеточностью часов. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторыодновременно отслеживают до 8–10 спутников, чтопозволяет быстро решить большинство неоднозначностей.
Информацию о местоположении спутников GPS приемники получают изпередаваемых в навигационных сообщений данных альманаха и эфемерид. Альманахсодержит информацию о расположение спутников «на небе», что позволяет приочередном включении GPS прибора значительно сузить секторы поисканавигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Точные координатыспутников вычисляются на основании данных эфемерид. В отличие от альманаха,спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его использованияв подсчете позиции, GPS приемник должен получить полное навигационное сообщение.Ошибки передачи, связанные с «плохими» окружающими условиями, могут существенноувеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемеридпозволяет GPS приемнику определять позицию за 1–2 секунды. Этот режимназывается «горячим»стартом.
Геометрический фактор определяет относительное расположение GPSприемника и спутников, используемых в подсчете позиции. Его величина влияет наточность определения позиции. Если все спутники расположены в одном направленииот GPS приемника, то площадь пересечения всех окружностей будет достаточнобольшой. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений,влияющих на точность подсчёта и позиции (рисунок3).
/>
Рисунок 3
В случае, когда спутники расположены «вокруг» GPS приемника,область пересечений окружностей исоответственно величина неопределённостей умньшаются (рисунок 4).
/>
Рисунок 4

3.3 Точностьсистемы
Учитывая вышесказанное, мы видим, что для устранениянестабильности хода часов приемника и определения точного местоположения вдвумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) нам необходимо получитьсигналы мимнимум от 3-х спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутниковдостаточно велико даже для того, чтобы в любой точке земного шара определить нетолько двумерные, но и трехмерные координаты – широту, долготу и высоту надуровнем моря. Для этого нужно получать сигналы минимум от 4-х спутников. Приэтом, чем больше спутников «видит» Ваш GPS – приемник, тем точнее он можетопределить координаты местоположения – вплоть до максимального предела,определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точностьработы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутниковэкранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями и т.п.).
Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и находится подконтролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точностьисключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигналкодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован тольковоенными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени отспутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажаетполученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-премниковухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50–150 м.
В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее,чем в теории. Это объясняется влиянием на GPS измерения различного рода ошибок.Можно выделить три категории ошибок (рисунок 5):
· Ошибки системы.
· Ошибки связанны сраспространением навигационного сигнала.
· Ошибки приемной аппаратуры.
/>
Рисунок 5
Ошибки системы связаны точностью атомных часов спутников исоответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то,что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тожемогут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталонавремени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров.Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются всоставе навигационных сообщений и учитываются GPS приемником в вычисленияхпозиции.
Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемыхэфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих наизменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все равноприсутствуют.
Наиболее существенный вклад в навигационные измерения вносятошибки, связанные с распространением сигнала атмосфере Земли, а именно вионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слойзаряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скоростьраспространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время.Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от GPS приемника доспутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток,усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точноотобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя,навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят всепогодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скоростьраспространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используютдифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются спомощью геостационарных спутников WAAS/EGNOS и позволяют повыситьточность позиционирования до 1 метра.
Ошибки многолучевости можно одновременно отнести и к категорииошибок, связанных с распространением навигационного GPS сигнала, и к ошибкамGPS приемника. Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационногосигнала от близкорасположенных объектов – зданий, металлических конструкций,деревьев и т.п. (рисунок 6). В результате этого эффекта время распространения отраженногосигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переотраженного сигналавыше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и врезультате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.
/>
Рисунок 6

3.4 ДифференциальнаяGPS
Для того, чтобы в ряде случаем можно было «обойти» ограничения,наложенные Департаментом обороны США, некоторые специальные службы (например, береговая охрана США) установили сетьфиксированных т.н. «дифференциальных» радио-буев. Каждый из них постояннорегистрирует сигналы GPS-спутников и сравнивает расчитанные координаты со своимизвестным постоянным местоположением. Вычисленная таким образом ошибкапередается радио-буем на фиксированной частоте (обычно в 2-х метровомдиапазоне) в виде специального сигнала. Если этот сигнал поймать с помощьюдополнительного т.н. «дифференциального» приемника, подключенного к GPS-навигатору,то последний может внести соответствующую поправку и определить координаты сточностью около 1 метра. В последнее время такие службы получают все большеераспространение в западных странах, однако их услуги часто бывают платными.


4. Современное состояние
В настоящее времяработают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:
· NAVSTAR (GPS)
Принадлежитминистерству обороны США, что считается другими государствами её главнымнедостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностьюработающая спутниковая навигационная система.
· ГЛОНАСС
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) –советская и российская спутниковая система навигации, разработанная по заказуМинистерства обороны СССР.
Принадлежитминистерству обороны России. Является попыткой восстановить функционировавшую с1982 года советскую систему. Находится на этапе повторного развёртыванияспутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной группировкиспутников, запущенных в СССР, было в 1993–1995 гг.). Современная система,по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторымитехническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR. Однако в настоящее времяэти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковойгруппировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.
Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся надповерхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигацииNAVSTAR.
· Бэйдоу
Развёртываемая внастоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использованиятолько в этой стране. Особенность – небольшое количество спутников, находящихсяна геостационарной орбите.
· Galileo
Европейская система,находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.
· IRNSS
Индийская навигационная спутниковая система, в состоянииразработки. Предполагается для использования только в этой стране. Запускпервого спутника ожидается в 2009 году.
4.1 Создание картдля навигационныхсистем
Компания Navteq Corporation была образована в 1985 году и ужечерез девять лет начала поставлять свой софт для «заводских» навигационныхсистем – первым потребителем стала компания BMW. Сейчас продукцию Navteqпокупают, например, для «конвейерной» установки на автомобили Chrysler иMercedes, ею пользуются интернет-ресурсы (в частности, Google Maps), а самымизвестным производителем переносных PND-устройств (Personal Navigation Device)с картами Navteq является американская фирма Garmin. Сейчас карты Navteqпокрывают 74 страны мира, а с февраля 2006 года в этот список входит и Россия:российское представительство компании сотрудничает с семнадцатьюавтопроизводителями, среди которых Peugeot, Opel и Mitsubishi, и в 2009 году кним должен добавиться еще десяток фирм.
Процесс создания электронной карты для навигационного устройствавключает в себя несколько этапов. Сначала у геодезистов покупают картоснову –подробную карту местности с обозначением населенных пунктов и отображениемавтомобильных дорог. Затем начинается процесс ее адаптации к автомобильнымнуждам: специально экипированная бригада отправляется на визуальное изучениеместности. В автомобиле находятся водитель и геоаналитик с арсеналомвысокоточного «оружия». Главную роль играет GPS-приемник, осуществляющийпривязку к местности. С ним синхронизируется камера-регистратор, которая раз всекунду отправляет в память ноутбука привязанное к абсолютным координатамизображение. Причем для более точного описания маршрута оператор с помощьюигрового джойстика «вешает» на «картинку» стандартные значки-атрибуты,обозначающие класс дороги, тип покрытия, разрешенную скорость, номера домов,пешеходные переходы и т.д. Помимо этого, оператор оставляет звуковыекомментарии и делает рукописные пометки с помощью графического планшета и«карандаша». Программу для создания навигационнойкарты можно увидеть на рисунке 7.
За один рабочий день экипажу удается «прорисовать» от 70 до 100 кмгородских дорог или около 300 км пригородных трасс, причем фактическийпробег получается куда большим: геоаналитику надо зафиксировать все проезжиеучастки, а широкие проспекты и бульвары приходится проезжать в обоихнаправлениях. В итоге накапливается огромный массив данных, которые потомобрабатываются в аналитическом центре. Повторное «сканирование» местностипроводится по мере появления новых дорог, а старые объезжаются приблизительнораз в год, но заказчики получают обновленные версии карт ежеквартально:исправление ошибок производится главным образом по сигналам пользователей. Нодо них обновленные релизы доходят как минимум через два-три месяца послеанонса.
Почему? Во-первых, нужно адаптировать карту под «железо» ифирменные стандарты подачи информации: цветовую схему, звуковое сопровождение ит.д. Во-вторых, между самим продуктом и его потребителем есть немалопосредников, претендующих на свой кусок пирога. Иной раз диски с «фирменной»картографией для штатных навигационных систем появляются с задержкой до восьмимесяцев! Неудивительно, что на фоне такой нерасторопности процветает пиратство –ворованные копии карт зачастую появляются в продаже раньше лицензионныхпродуктов. По состоянию на декабрь 2008 года «российские» карты Navteqпокрывают дорожную сеть пятнадцати городов-миллионеров и шести областей. Всего –281 тыс. км дорог. В начале года должна быть готова детальная карта Москвы, вкоторой будут прописаны не только подъездные дороги ко всем домам и корпусам,но и подробные схемы проезда «хитрых» развязок – например, повороты налевочерез правый «карман». Выход аналогичной карты Санкт-Петербурга планируется впервом квартале. Но в России компания Navteq сейчас в роли догоняющего – уосновных конкурентов зона покрытия куда больше. Например, карты компанииНавиком покрывают 412 городов с возможностью адресного поиска и 2,8 млн кмдорог включая грунтовки. Аналогичные показатели у компании Навител – 231 городи 598 тыс. км, а у компании Tele Atlas – 50 городов и 875 тыс. км. Еще однахарактеристика – количество объектов инфраструктуры, к которым относятсярестораны, автозаправки, гостиницы и т.д. На российской карте Navteq ихотмечено 47 тысяч, в то время как карта одного Нью-Йорка содержит 60 тысяч«интересных точек». Словом, поле для деятельности – широчайшее.
/>
Рисунок 7

5. Системы спутниковой навигацииГЛОНАСС и GPS
СистемаГлонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижныхобъектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей структуреГлонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть можетиспользоваться как в военных, так и в гражданских целях.
Системав целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературеэти части называются сегментами).
 
/>
Рисунок8
· космический сегмент, вкоторый входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (инымисловами, навигационных космических аппаратов);
· сегмент управления, наземныйкомплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
· аппаратура пользователейсистемы.
Изэтих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная.Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системыне имеет значения. Помимо основной функции – навигационных определений, –система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартовчастоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическуюпривязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентацииобъекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналовнавигационных спутников.
Всистеме Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используютсянавигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговойгеостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутникавокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника –5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальныхзначений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметическийконтейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещаетсяразличного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечныхбатарей. Общая масса спутника – 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят:бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющийкомплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.
/>
Рисунок9

/>
Рисунок10а
/>
Рисунок10Б
Сегментназемного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:
· эфемеридное ичастотно-временное обеспечение;
· мониторинградионавигационного поля;
· радиотелеметрическиймониторинг НКА;
· командное и программноерадиоуправление НКА.
Длясинхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на бортуНКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностьюпорядка 10–13. На наземном комплексе управления используется водородныйстандарт с относительной нестабильностью 10–14. Кроме того, в состав НКУ входятсредства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы спогрешность 3–5 нс.
Наземныйсегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что наземле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этихпараметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноззакладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду спередачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправкибортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение ипрогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы порезультатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.
Американскаясистема GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественнойсистеме Глонасс. Её основное назначение – высокоточное определение координатпотребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкалевремени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для МинистерстваОбороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсномуконтрольному документу, основными разработчиками системы являются:
· по космическому сегменту –Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
· по сегменту управления –IBM, Federal System Company;
· по сегменту потребителей –Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.
Каки система Глонасс, GPS состоит из космического сегмента, наземногокомандно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.
Какбыло сказано выше, орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационныхкосмических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодомобращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которыесказывались на их характеристиках в целом. В таблице 1,2 приведены краткиехарактеристики космических аппаратов, используемых в системе.
Таблица1 – характеристики космических аппаратов, используемых в системе GPSТип НКА Масса на орбите Мощность энергоисточников, Вт Расчётный срок активного существования Год запуска первого НКА Блок-I 525 440 - 1978 Блок-II 844 710 5 1989 Блок-IIR 1094 1250 7,5 1997 Блок-IIF - - 14–15 2001–2002
Таблица2 – сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPSПоказатель ГЛОНАСС GPS Число КА в полной орбитальной группировке 24 24 Число орбитальных плоскостей 3 6 Число КА в каждой плоскости 8 4 Наклонение орбиты 64,8º 55º Высота орбиты, км 19 130 20 180 Период обращения спутника 11 ч. 15 мин. 44 с 11 ч. 58 мин. 00 с Система координат ПЗ-90 WGS-84 Масса навигационного КА, кг 1450 1055 Мощность солнечных батарей, Вт 1250 450 Срок активного существования, лет 3 7,5 Средства вывода КА на орбиту «Протон-К/ДМ» Delta 2 Число КА, выводимых за один запуск 3 1 Космодром Байконур (Казахстан) Мыс Канаверел (Cape Canaveral) Эталонное время UTC (SU) UTC (NO) Метод доступа FDMA CDMA
Несущая частота:
L1
L2
1598,0625–1604,25
7/9 L1
1575,42
60/77 L1 Поляризация Правосторонняя Правосторонняя Тип псевдошумовой последовательности m-последовательность код Голда
Число элементов кода:
C/A
P
511
51 1000
1023
2,35x1014
Скорость кодирования, Мбит/с:
C/A
P
0,511
5,11
1,023
10,23 Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ -48 -21,6 Структура навигационного сообщения Скорость передачи, бит/с 50 50 Вид модуляции BPSK (Манчестер) BPSK NRZ Длина суперкадра, мин. 2,5 (5 кадров) 12,5 (25 кадров) Длина кадра, с 30 (15 строк) 30 (5 строк) Длина строки, с 2 6
Припроектировании системы в целом и НКА в частности, большое внимание уделяетсявопросам автономного функционирования. Так, космические аппараты первогопоколения (Блок-I) обеспечивали нормальную работу системы (имеется в виду, безсущественных ошибок определения координат) без вмешательства сегментауправления в течение 3–4 дней. В аппаратах Блок-II этот срок был увеличен до 14дней. В новой модификации НКА Блок-IIR позволяет автономно работать в течение180 дней без корректировки параметров орбиты с земли, пользуясь лишь автономнымкомплексом взаимной синхронизации спутников. Аппараты Блок-IIF предполагаетсяиспользовать взамен отработавших Блок-IIR.Состави структура навигационных сообщений спутников системы Глонасс
Навигационноесообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с.В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а вовторой (0,3 с) – Метка Времени. Она представляет собой укороченную псевдослучайнуюпоследовательность, состоящую из 30 символов с тактовой частотой 100 бит/с.
Навигационныесообщения спутников системы Глонасс необходимы потребителям для навигационныхопределений и планирования сеансов связи со спутниками. По своему содержаниюнавигационные сообщения делятся на оперативную и неоперативную информацию.
Оперативнаяинформация относится к спутнику, из сигнала которого она была получена. Коперативной информации относят:
· оцифровку меток времени;
· сдвиг шкалы времени спутникаотносительно шкалы системы;
· относительное отличиенесущей частоты спутника от номинального значения;
· эфемеридная информация.
Времяпривязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющиеполучасовую кратность от начала суток, позволяют точно определятьгеографические координаты и скорость движения спутника.
Неоперативнаяинформация содержит альманах, включающий:
· данные о состоянии всехспутников системы;
· сдвиг шкалы времени спутникаотносительно шкалы системы;
· параметры орбит всехспутников системы;
· поправку к шкале временисистемы Глонасс.
Выбороптимального «созвездия» КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частотыобеспечивается за счёт анализа альманаха системы.
Навигационныесообщения спутников системы Глонасс структурированы в виде суперкадровдлительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров длительностью 30 с.Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с длительностистроки последние 0,3 с занимает метка времени. Остальная часть строки содержит85 символов цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.
Всоставе каждого кадра передаётся полный объём оперативной информации и частьальманаха системы. Полный альманах содержится во всём суперкадре. При этоминформация суперкадра, содержащаяся в строках 1–4, относится к тому спутнику, скоторого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределахсуперкадра.
Каждыйспутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что ипозволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точногодальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутниковогосигнала.Состави структура навигационных сообщений спутников системы GPS
Структурноеделение навигационной информации спутников системы GPS осуществляется насуперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров изанимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в течение 30 с и имеетразмер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и передаётся в течениеинтервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку времени,соответствующую началу / окончанию очередного 6-с интервала системноговремени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младшихразрядов являются проверочными битами. В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаютсяданные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установленасвязь. Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всехстраницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурациии состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения, параметры,описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.Алгоритмыприема и измерения параметров спутниковых радионавигационных сигналов
Ксегменту потребителей систем GPS и ГЛОНАСС относятся приёмники сигналовспутников. По измерениям параметров этих сигналов решается навигационнаязадача. Приёмник можно разделить на три функциональные части:
· радиочастотную часть;
· цифровой~коррелятор;
· процессор.
Свыхода антенно-фидерного устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотнуючасть (рисунок 11). Основная задача этой части заключается в усилениивходного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровомпреобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части приёмника поступаеттактовая частота для цифровой части приёмника. С выхода радиочастотной частицифровые отсчёты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.
/>
Рисунок11
Вкорреляторе спектр сигнала переносится на «нулевую» частоту. Это производитсяпутём перемножения входного сигнала коррелятора с опорным гармоническимколебанием в синфазном и квадратурном каналах. Далее результат перемноженияпроходит корреляционную обработку путём перемножения с опорным дальномернымкодом и накоплением на периоде дальномерного кода. В итоге получаемкорреляционные интегралы I и Q. Отсчёты корреляционных интегралов поступают впроцессор для дальнейшей обработки и замыкания петель ФАП (фазоваяавтоподстройка) и ССЗ (схема слежения за задержкой). Измерения параметровсигнала в приёмнике производятся не непосредственно по входному сигналу, а поего точной копии, формируемой системами ФАП и ССЗ. Корреляционные интегралы I иQ позволяют оценить степень «похожести» (коррелированности) опорного и входногосигналов. Задача коррелятора, помимо формирования интегралов I и Q, –формировать опорный сигнал, согласно с управляющими воздействиями (кодамиуправления), поступающими с процессора. Кроме того, в некоторых приёмникахкоррелятор формирует необходимые измерения опорных сигналов и передаёт их впроцессор для дальнейшей обработки. В то же время, так как опорные сигналы вкорреляторе формируются по управляющим кодам, поступающим с процессора, тонеобходимые измерения опорных сигналов можно производить непосредственно впроцессоре, обрабатывая соответствующим образом управляющие коды, что иделается во многих современных приёмниках.
Дальностьпри радиотехнических измерениях характеризуется временем распространениясигнала от объекта измерения до измерительного пункта. В навигационных системахGPS/ГЛОНАСС излучение сигналов синхронизировано со шкалой времени системы,точнее, со шкалой времени спутника, излучающего данный сигнал. В то же время,потребитель имеет информацию о расхождении шкалы времени спутника и системы.Цифровая информация, передаваемая со спутника, позволяет установить моментизлучения некоторого фрагмента сигнала (метки времени) спутником в системномвремени. Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника.Шкала времени приёмника (потребителя) формируется с помощью кварцевыхстандартов частоты, поэтому наблюдается постоянный «уход» шкалы времениприёмника относительно шкалы времени системы. Разность между моментом приёмафрагмента сигнала, отсчитанным по шкале времени приёмника, и моментом излученияего спутником, отсчитанным по шкале спутника, умноженная на скорость света,называется псевдодальностью. Почему псевдодальностью? Потому что она отличаетсяот истинной дальности на величину, равную произведению скорости света на «уход»шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При решениинавигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатамипотребителя (приёмника).
Корреляционныеинтегралы, формируемые в корреляторе, позволяют отследить модуляцию сигналаспутника символами информации и вычислить метку времени во входном сигнале.Метки времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуютсвоеобразную 6 (2) – секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалыпериоды дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, всвою очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS –1023, для ГЛОНАСС – 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяютопределить дальность до спутника с погрешностью ~ 300 м. Для более точногоопределения необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемыпостроения опорных генераторов коррелятора позволяют определять его фазу сточностью до 0,01 периода, что составляет точность определения псевдодальности3 м.
Наосновании измерений параметров опорного гармонического колебания, формируемогосистемой ФАП, определяют частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уходотносительно номинального значения даст доплеровское смещение частоты, покоторому оценивается скорость потребителя относительно спутника. Кроме того,фазовые измерения несущей позволяют уточнить дальность до спутника спогрешностью в несколько мм.Определениекоординат потребителя
Дляопределения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (неменее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для тогочтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые иминавигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. Ваппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определениекоординат спутников на нужный момент времени.
Координатыи составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения опараметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах исоставляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели,аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени(около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточномедленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.
Параметрыаппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. Всистеме GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующимиэлементами. В этом случае траектория полёта КА разбивается на участкиаппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётсяузловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационнойинформации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующихэлементов на узловой момент времени, а также параметры функций,аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во временикак предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.
Ваппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, накоторый нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем спомощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационногосообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов нанужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровскоймодели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника.
Всистеме Глонасс для определения точного положения спутника используютсядифференциальные модели движения. В этих моделях координаты и составляющиевектора скорости спутника определяются численным интегрированиемдифференциальных уравнений движения КА, учитывающих конечное число сил,действующих на КА. Начальные условия интегрирования задаются на узловой моментвремени, располагающийся посередине интервала аппроксимации.
Какбыло сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знатькоординаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждоговидимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностьюоколо 1 м. Для удобства рассмотрим простейший «плоский» случай,представленный на рисунке 12.
/>
Рисунок12
Каждыйспутник можно представить в виде точечного излучателя. В этом случае фронтэлектромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух сфер будетта, в которой находится потребитель.
Высотаорбит спутников составляет порядок 20000 км. Следовательно, вторую точкупересечения окружностей можно отбросить из-за априорных сведений, так как онанаходится далеко в космосе.Дифференциальныйрежим
Спутниковыенавигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностьюпорядка 10–15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации вгородах, требуется большая точность. Один из основных методов повышенияточности определения местонахождения объекта основан на применении известного врадионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений.
Дифференциальныйрежим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 мв динамической навигационной обстановке и до 1 м – в стационарныхусловиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приёмника,называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известнымикоординатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник. Сравнивая известныекоординаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) сизмеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаютсяпотребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.
Аппаратурапотребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитываетих при определении местонахождения потребителя.
Результаты,полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависятот расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого методанаиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки,обусловленные внешними (по отношению к приёмнику) причинами. По экспериментальнымданным, опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км отобъекта.
Внастоящее время существуют множество широкозонных, региональных и локальныхдифференциальных систем.
Вкачестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS,европейская EGNOS и японская MSAS. Эти системы используют геостационарныеспутники для передачи поправок всем потребителям, находящимся в зоне ихпокрытия.
Региональныесистемы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земнойповерхности. Обычно региональные системы используют в крупных городах, натранспортных магистралях и судоходных реках, в портах и по берегу морей иокеанов. Диаметр рабочей зоны региональной системы обычно составляет от 500 до2000 км. Она может иметь в своём составе одну или несколько опорныхстанций.
Локальные системы имеют максимальный радиус действия от 50 до 220 км.Они включают обычно одну базовую станцию. Локальные системы обычно разделяют поспособу их применения: морские, авиационные и геодезические локальныедифференциальные станции.