Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты над уровнем моря), а также параметров движения (скорости, пройденного пути и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Содержание

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

  • Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;
  • Наземной системы управления и контроля, включающей блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки орбит;
  • Приёмного клиентского оборудования («спутниковых навигаторов»), используемого для определения координат;
  • Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, положение которых известно заранее с большой точностью. Таблица положений спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый навигатор до начала измерений. 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 до спутника основан на конечности скорости света в пространстве. Каждый навигационный спутник содержит в себе строго синхронизированные с системным временем атомные часы и излучает сигналы точного времени в составе своего сигнала. При включении спутникового навигатора его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала навигатором. Располагая этой информацией, процессор устройства может вычислить его положение в пространстве, и дополнительно, накапливая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.

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

  • Отсутствие атомных часов в приёмнике. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с большой точностью.)
  • Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
  • Неоднородность атмосферы (ионосферы), из-за которой скорость распространения радиоволн может меняться в определённых 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.

Современное состояние

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

NAVSTAR

Единственная из реально доступных в настоящее время систем. Принадлежит министерству обороны США, что считается её главным недостатком. Более известна под названием GPS.

ГЛОНАСС

Находится на этапе развёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

Beidou

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

Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

Технические детали работы систем

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

  • Обе системы имеют двойное назначение — военное и гражданское, поэтому излучают два сигнала: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. В настоящее время оба сигнала доступны гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в 2002 году и в любой момент может быть восстановлено).
  • Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте 20 000 км. Спутники ГЛОНАСС (кодовое имя «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте 19 100 км. Hоминальное количество спутников в обоих системах — 24. Группировка NAVSTAR 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 настоящий момент идет её активное восстановление.
  • Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищенность 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 вместе с L1). Для NAVSTAR L1=1575,42 и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. 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. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 — только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа в случае необходимости).
  • Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для инициализации приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый по частям 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 навигатора, либо если он долго не использовался, или был перемещён на большое расстояние в выключенном состоянии.

Дифференциальное измерение

Отдельные модели спутниковых навигаторов 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 точность порядка 10-15 метров без наземной системы корректировки и 1-2 м с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

См. также

Ссылки

 

Системы навигации
Спутниковые системы навигации: NAVSTAR (США) | ГЛОНАСС, Цикада, Циклон (Россия) | Галилео (Европейский Союз) | Beidou (Китай)

 

Видео:

Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС
Если вам интересна навигационные сервисы и при этом есть что обсудить, то прошу на мой новый форум в соответствующую ветку - http://www.dmyt.ru/forum/viewfor...
Спутниковая навигация и мифы о системе Глонасс. Нестандартная модель.
Для чего нужно уметь определять точные координаты планет? Какие технологии сегодня позволяют это сделать? И как они связаны со спутниковой навигацией? Участн...
Системы спутниковой навигации. Утро с Губернией. GuberniaTV
Огромное количество событий происходит в последнее время. Вот и будущее GPS в России оказалось под угрозой. Заместитель главы российского правительства Дмитр...
Спутниковая навигация на службе фермеров
Американские фермеры все чаще применяют высокотехнологичное оборудование. Это позволяет им использовать меньше удобрений, сэкономить средства и защитить окру...
Шестиклассник усомнился в точности спутниковой навигации
Шестиклассник предлагает улучшить систему спутниковой навигации. А группа студентов пишет программы на разных языках программирования. Какие проекты предлага...
Глобальная навигационная спутниковая система
Глобальная навигационная спутниковая система на Колыме становится популярной.
euronews space - "Эгнос" - со спутником по миру
В наши дни навигаторы GPS уже прочно вошли в перечень привычных и необходимых каждый день устройств. Европейцы решили повысить их точность, усовершенствовав ...
Спутниковая навигация ГЛОНАСС
Интернет-передача "Размышления о моменте". Выпуск №69 http://RUSRAND.RU/
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home