PILOWAR - Все для мобильных устройств

В данном реферате рассказывается о спутниковых системах определения геогафических кoординат на примере американской системы GPS российского аналога ГЛОНАСС. Делается попытка сравнения характеристик эти систем.

Введение

В сферу телекоммуникаций в настоящее время инвестировано около 450 млрд. $ США. В ностоящее время связь занимает третье место в мировой шкале инвестиций после фармацевтической и энергетической промышленности , опережая при этом химию и автомобилестроение.

Возможно, одним из наиболее впечатляющих по своим масштабам итогов деятельности человечества в 20 столетии стало создание глобальных космических систем. В частности создание систем радиоместоопределения и телекоммуникации. Эти системы огромны как по своей стоимости реализации, так и по своими возможностям и масштабам. На создание системы связи Iridium уже было затрачено около 7 млрд. $ США, а на создание системы Globalstar 4 млрд. $. Однако они стали реальностью нашей жизни. Глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС были не только развернуты, но и опробованы в гражданском и боевом применении, функционирует целый ряд систем спутниковой связи использующих, как геостационарные, так и низколетящие спутники.

Исторически развитие космических систем связи и навигации началось параллельно. Хотя в навигационных системах присутствовали служебные комплексы связи, но они не являлись системами связи массового обслуживания и играли обеспечивающую жизнедеятельность системы роль. В то же время на системы космической связи в начале их развития не возлагались функции измерения координат, хотя они нуждались в баллистическом обеспечении и следовательно в решении задачи определения местоположения ретрансляторов. То есть решение задач местоопределения в системах связи носило характер обеспечения их функционирования. Однако довольно быстро стало ясно, что для решения задачи управления и связи с подвижными объектами необходимо знание координат объектов.

Возможности совмещения услуг местоопределения и связи нашло применение в обслуживании транспортных сухопутных перевозок, породив целое направление - телематику. Одновременно возможность измерения и передачи координат подвижных объектов давала возможность создания нового класса систем - систем глобального аварийного оповещения.

Страницы истории GPS

Развитие космических технологий привело к возможности создания спутниовых систем позиционирования в пространсте. Такие проекты являлись и остаются очень дорогостоящими, осуществление которых подсилу только очень развитым странам к числу которых относятся США и Америка. Развитием этих идей стало появление американской системы GPS и российского аналога и ГЛОНАСС.

Необходимость и полезность таких систем трудно переоценить. Первоначально они создавались для военных целей и лишь позднее они стали доступными для гражданской авиации и флота. В настоящее время услуги систем GPS и ГЛОНАСС являются доступными любому человеку. По личному опыту знаю, как иногда не хватает подобных систем при совершении путешествий в условиях горной местности.

Первой спутниковой навигационной системой появившейся на вооружении армии США стала спутниковая навигационная система TRANSIT. Но к началу 70-х годов оказалось, что спутниковая навигационная система TRANSIT имеет существенные недостатки:

С целью преодоления этих недостатков было принято решение начать работы над созданием спутниковой навигационной системы нового поколения. Первоначально она получила название NAVSTAR т.е. "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения" (сейчас можно встретить двойное название: GPS-NAVSTAR). Основным назначением NAVSTAR была высокоточная навигация военных объектов.

Непосредственная реализация программы началась в середине 1977 г. с запуском первого спутника. С 1983 данная система была открыта для использования в гражданских целях, но приэтом действовали ряд ограничений на продажу GPS-оборудования в страны социалистического лагеря. А с 1991 г. были сняты и эти ограничения, и GPS-оборудование стало доступно российскому потребителю.

В 1993 г. система была полностью развернута. Затраты на ее реализацию превысили 15 млрд. USD. Как уже говорилось в России действует аналогичная система спутниковой навигации и ГЛОНАСС принцип работы которой во многом подобен GPS .

Первоначально предполагалось использовать систему GPS только в навигационных целях, но исследования, проведенные учеными Массачусетского технологического института в 1976 - 1978 г.г., показали возможность геодезического применения GPS, т.е. определения координат с миллиметровой точностью.

Принцип работы системы GPS

Основу системы составляет сеть сеть ИСЗ развёрнутых в около земной орбите и равномерно "покрывающих" всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ расчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

Рис.1 Сеть GPS-спутников

В GPS- приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность "спутник-приемник". Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что(радиосигнал распространяется со скоростью света). Так как для определения местоположения точки нужно знать три координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ . Очевидно, при данном методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому "системному времени". Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или "псевдодальность". Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.

Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных расчётов точки нобходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени.

Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. они могут одновременно принимать сигналы от 5 до 12 ИСЗ. Приём сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Страницы истории ГЛОНАСС

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества ИСЗ .

Впервые высказывания о необходимости создания такой системы, удовлетворяющей потребности многих ведомств, прозвучали на научно-техническом совете в 1946 г.

Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника. Эффект Допплера(по имени австрийского физика К. Допплера) состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний. Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий. Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада". В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000км,наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5 ... 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников. Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала. Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину »70 ... 80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80 ... 100 м. ЭФЕМЕРИДЫ(в астрономии) - координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.

Основные принципы работы системы ГЛОНАСС

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ , и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот НКА ГЛОНАССсостоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.

Служебная информация накладывается на узкополосный дальномерный сигнал путем инвертирования открытого дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек.: первые 0,3 сек. предназначены для метки времени, остальные 1,7с предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек.) Пять кадров навигационной информации объединяются в суперкадр. В составе каждого кадра передается полный объем цифровой информации, относящейся к данному HKA и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передается одним суперкадром. Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:

признак достоверности информации в кадре;
время начала кадра;
эфемеридную информацию -координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to;
частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ;
время to (кратно 30 мин. от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотновременные поправки.

Альманах системы содержит:

время, к которому относится альманах;
параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ;
поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны (единой системы времени).

В "ГЛОНАСС СРНС" не предполагается введение селективного доступа. Одновременно, за счет частотного разделения каналов в ГЛОНАСС обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность. Согласно статистики, в годы солнечной минимальной активности в ГЛОНАСС по 6 НКА по открытому дальномерному коду СКО ошибок определения широты и долготы составляет 20-28 м, а высоты 40-52 м, что в 2,5 раз меньше, чем для GPS при тех же условиях.

Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы 1). Данные системы разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS - на средних.

Обзор GPS оборудования

Кроме координат, GPS-приемник предоставляет своему хозяину массу полезной информации. Он с легкостью посчитает максимальную и среднюю скорость движения, которую вы развиваете при ходьбе, беге, езде на велосипеде или спуске на лыжах с горы; поможет оценить, правильно ли работает спидометр автомобиля; укажет стороны света, покажет направление на цель и примерное время, через которое вы там окажетесь, двигаясь с текущей скоростью. Работать с GPS-приемником совсем не трудно. Общение с ним организовано на основе нескольких типовых экранов (их может быть четыре, а может и девять). Включаешь прибор, на экране - небо с видимыми спутниками и столбчатые диаграммы уровня принимаемого сигнала. Если прибор давно не включался, для определения координат ему потребуется около минуты, а то и больше (так называемый холодный старт), в ином случае данные появятся на экране уже через 15-20 секунд (это второй типовой экран приемника). Отдельно отображаются путевые точки (waypoint), курс движения и символическая (или реальная) карта местности. Любую точку маршрута можно запомнить как путевую, произвольно выбрать исходный пункт и цель маршрута, вернуться обратно по уже пройденному пути (режим "Trackback"). Выпускаемые сегодня модели можно подключать к настольному или карманному компьютеру, что позволяет загружать в приемник электронные карты и точки планируемого маршрута, а также считывать по окончании путешествия пройденную трассу.

Все это базовые функции, имеющиеся и у самых простых, и у навороченных устройств. Вторые отличаются от первых, как правило, более мощными картографическими возможностями и дополнительными фичами. Например, могут встраиваться: барометрический высотомер, магнитный компас (направление на север в обычном приемнике определяется только при движении по прямой линии), звуковой сигнал, поддержка картриджей расширения памяти, а также расчет времени восхода и захода солнца, ведение календаря, калькулятор охотника и рыболова и т. п.

Дополнительные картографические функции GPS-приемников повышают его цену в несколько раз. Так что в выигрыше оказываются владельцы карманных компьютеров: создав связку GPS-КПК, они имеют возможность пользоваться более мощной и, главное, более дешевой навигационной системой. Достаточно приобрести простейший навигатор, а всю вычислительную работу возложить на КПК, благо программного обеспечения и электронных карт для этих целей предостаточно.

Сегодня GPS-модули встраиваются в часы, мобильные телефоны, бортовые компьютеры автомобилей, выполняются в виде платы расширения для КПК. Разработано великое множество портативных навигационных приемников. Есть что выбрать горожанам в преддверии летних отпусков.

В настоящее время существует около тысячи различных моделей GPS-приемников, выпускаемых более чем полутора сотнями компаний. В России наибольшую популярность завоевали портативные навигаторы Garmin и Magellan. Лидерами продаж являются приемники серии Garmin eTrex - новейших GPS-устройств индивидуального использования. Особенности этого семейства: малый вес (150 г), стильный дизайн, разнообразие моделей в ценовом диапазоне от 170 до 450 долларов. Приемники другой группы - GPS II, III, V, StreetPilot, StreetPilot ColorMap - имеют широкие картографические возможности и обладают, с одной стороны, расширенным набором функций для навигации в автомобиле, с другой - большей массой (250-500 г) и относительно высокой стоимостью (от 300 до 1200 долларов). Промежуточное положение занимают навигаторы серии GPS 12. Отдельно упомянем приемники, предназначенные для работы с ноутбуками и КПК. Они не имеют навигационного экрана, и все сервисные вычисления приходится выполнять на компьютере. Например, Garmin GPS 35, похожий на мышь без кнопок, подключается к компьютеру через COM- или USB-порт и запитывается либо от автомобильного прикуривателя, либо от USB-порта. Он комплектуется магнитом (для установки, например, на крышу автомобиля) или присосками (на ветровое стекло или иллюминатор). Вес устройства 125 г, цена - 250 долларов. Для некоторых КПК выпускаются специализированные модели GPS-приемников. Для Palm V/Vx - это StreetFinder (120 долларов) и Magellan GPS Companion (270 долларов). Последний работает и с Handspring Visor. Разработанные компанией Pharos миниатюрный внешний навигатор iGPS-180 (вес всего 68 г) и iGPS-CF, выполненный в форм-факторе CompactFlash-I, пока на нашем рынке не замечены. Кроме собственно приемников, есть и целый ряд комбинированных устройств, сочетающих функции GPS-навигатора и часов (Casio ProTrek PRT-2GP), GPS-приемника и GSM-телефона (Benefon ESC!, Benefon Track, Garmin Navtalk II).

Для загрузки в GPS-приемники картографической информации компания Garmin предлагает серию программных продуктов MapSource, включающих электронные карты нескольких уровней детализации и программную оболочку для десктопа. Подробные карты составлены только для Северной Америки, Европы и Австралии. Восточная Европа и Россия представлена поверхностно. Например, Москва состоит из МКАД, Садового кольца и нескольких основных трасс внутри города, точность прорисовки кольцевой автодороги примерно 2 км. Среди продуктов Garmin - карта мира, города Европы, топографическая карта США, навигатор по городам Австралии и даже "Рыбные места Америки" . Данные невозможно ни изменить, ни дополнить. Существуют и электронные карты России. Они, как правило, создаются и распространяются компаниями, торгующими навигационным оборудованием. Карты не дешевы, например, двухкилометровка Московской области с картой Москвы до дома и планами городов Подмосковья обойдется в $95. Карта России в масштабе 1:1000000 - $200.

У владельцев карманных компьютеров выбор шире. Им достаточно приобрести простейший навигатор и интерфейсный кабель к КПК, а затем обратиться к любой поисковой машине, найти и опробовать в работе электронные карты и софт, поддерживающий работу КПК с GPS-приемником. В Сети есть и программы, предназначенные только для навигации (например, LaserMap, PocketStreet, "ПалмГИС GPS"), и программы, позволяющие, дополнительно к навигационным функциям, самостоятельно готовить карты и разрабатывать маршруты (например, Garmap или излюбленный туристами OziExplorer).

Глобальные системы определения координат GPS И ГЛОНАСС