Реферат: Спутниковые системы местоопределения

Новые спутники имеют трехосную стабилизацию и позволят обеспечить определение времени с точностью до 0.000001 сек, положение объекта с точностью до единиц метров и скорость - примерно до 0.1 м/сек. Срок службы увеличен до 10 лет по сравнению с 7 годами для ИСЗ типа 2А. Стоимость ИСЗ серии 2R составляет 40 млн. долл.

Группировка из 24 ИСЗ ГЛОНАСС выведена на орбиту и позволяет определить координаты с погрешностью не более 50 м для гражданского кода. Создан наземный сегмент управления спутниками, разработанный в СССР и реализованный Россией. В настоящее время в России отсутствует серийный производитель абонентской аппаратуры ГЛОНАСС для гражданского пользования. Структура орбитальной группировки и наблюдаемость ИСЗ системы даны в приложении.

Широкое развитие спутниковой связи на основе геостационарных спутников, вращающихся на экваториальных орбитах с периодом 24 часа, позволили использовать эти спутники как неподвижные опорные радионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижных объектов.

Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными спутниками связи представлена на Рис. 2. Примером таких систем могут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).

Спутники ГСС-1 и ГСС-2 не являются составной частью системы местоопределения, они выполняют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижного объекта.

При этом ГСС-1 обеспечивает ретрансляцию сигналов от наземной станции к подвижному объекту и обратно, а ГСС-2 только от подвижного объекта к наземной станции.

Координаты подвижного объекта вычисляются на наземной станции по сигналам, полученным от подвижного объекта с двух направлений (от ГСС-1 и ГСС-2). система четырех объектов, в которой координаты трех объектов ГСС-1, ГСС-2 и наземной станции известны, позволяет по методу триангуляции рассчитать координаты четвертого объекта, если измерить дальности от подвижного объекта до ГСС-1 и ГСС-2. Приближенно это можно представить следующим образом. Если измерены дальности от ГСС-1 и ГСС-2 до объекта L1 и L2, то подвижный объект находится на линии пересечения двух сфер, описанных радиусом L1 с центром на ГСС-1 и радиусом L2 с центром на ГСС-2. Пересечение же этой линии с поверхностью Земли даст точку местоположения подвижного объекта.

Значения L1 и L2 определяются вычитанием из известных расстояний от наземной станции до ГСС-1 и ГСС-2 дальностей от наземной станции до подвижного объекта через ГСС-1 и ГСС-2 соответственно. Эти дальности определяются на наземной станции по временной задержке между запросным сигналом от наземной станции и ответными сигналами от подвижного объекта, принимаемыми через ГСС-1 и ГСС-2.

Полученные на наземной станции координаты подвижного объекта могут быть переданы ему по каналу связи через ГСС-1.

Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземной станции устанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.

В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземной станции.

Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены или соединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным, спутниковым).

ГЛОНАСС-М.

	Рис. 4  Отечественный спутник ГЛОНАСС - М

 

Назначение:

Обеспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.

С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации Международная организация гражданской авиации и Международная морская организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в качестве международных.

Характеристики:

Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.

Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты. Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.

5.1 GPS в деталях

Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения и скорости различных подвижных объектов, а также определения времени, важными ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации, всепогодность и скрытность.

Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух частотах: 1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаются только сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию (P — Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационных помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы как с кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A. Сигналы обоих кодов представляют собой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью которой осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. Военный код P(Y) имеет продолжительность 267 суток, а код С/А — 1 мс. Прием сигналов с кодом P(Y) дает возможность работы в режиме высокой точности измерений (PPS), а сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу из-за нелинейности (увеличении пути) распространения в ней радиоволн.
Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Кроме того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики в режиме стандартной точности измерений (SPS). За счет преднамеренного ухудшения точности путем ввода ошибок при формировании навигационных параметров (режим избирательного доступа — SA) погрешность измерений в режиме SPS может быть доведена до 300 м и более.

Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярно передают специальные сообщения, которые содержат дополнительные сведения: о состоянии спутников и их параметрах — системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиты спутников), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и L2. Для передачи полного сообщения обо всех спутниках требуется 12,5 минуты.

Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы А). Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS — на средних.

Таблица A. Основные характеристики навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Недостатками ГЛОНАСС являются:

необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии;

при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25—30м, а в дифференциальном режиме — превышают 10 м;

при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;

сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.

Приемники, одновременно работающие с сигналами ИСЗ GPS и ГЛОНАСС, в Украине изготавливаются на ГП «Оризон» (г. Смела).

8.1 Модернизация GPS - новые сигналы для гражданских пользователей

25 января 1999г. вице-президент США Альберт Гор заявил о выделении 400 млн. долларов из “президентского” бюджета на модернизацию GPS и введении двух новых “гражданских” сигналов на запускаемых в будущем спутниках.

Второй "гражданский" сигнал будет размещен на существующей частоте L2 (1227.6MHz), вместе с существующим “военным” сигналом. Он будет предназначен для использования в приложениях (геодезия и т.д.), не связанных непосредственно с опасностью для жизни людей. Наличие этого сигнала предусматривается на спутниках, запускаемых с 2003 года.

Третий "гражданский" сигнал будет расположен на частоте 1176.45MHz внутри диапазона международного радионавигационного сервиса для авиации и мореплавания. Он предназначен для использования в приложениях, имеющих повышенные требования к безопасности (гражданская авиация и др.). Наличие этого сигнала предусматривается на спутниках, запускаемых с 2005 года.

Два новых "гражданских" сигнала в совокупности с существующим на частоте L1 (1575.42 MHz) существенно расширят возможности GPS.

8.2 Отмена селективного доступа

1 мая 2000 года Президент США объявил  о прекращении с 0:00 часов 2 мая 2000 года (время Восточного побережья США) действия так называемого “селективного доступа” (Selective Availability или S/A) – преднамеренного “загрубления” сигналов спутников GPS-Navstar Министерством Обороны США, не позволяющего пользователю, не имеющему специальных полномочий, определять свое местоположение точнее 100 метров.

Это решение, а также прошлогоднее заявление вице-президента США Альберта Гора о введении двух новых “гражданских” сигналов на запускаемых в будущем спутниках является реализацией решения Президента США, принятого в марте 1996 года о расширении использования GPS в гражданских целях.

Отмена действия S/A позволит в несколько раз улучшить точность автономного местоопределения – по данным Национальной Геодезической Службы США до 20, а возможно до 10 метров.

Приведенные ниже рисунки иллюстрируют точность GPS при действующем и отключенном S/A.

На рисунках – данные наблюдений с 7:30 до 14:00 UTC 2 мая этого года (до и после отключения S/A) на одной из CORS станций, подведомственных Службе Береговой Охраны США в штате Теннеси и данные одной из станций US Space Command.

                 S/A ON                                                        S/A OFF

9.1 Приёмники GPS индивидуального пользования

Наиболее распространенными являются приемники СРНС для индивидуального пользования водителями автомобильного транспорта. Они имеют размер карманного калькулятора с клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются координаты пользователя, курс, расстояние и направление до контрольных точек маршрута, пройденный маршрут движения, карта местности, параметры видимых спутников (рис. 6).

Страницы: 1, 2, 3