Спутниковая навигация
План
Введение
.
История GPS
.
Структура навигационных радиосигналов системы GPS
.
Состав и структура навигационных сообщений спутников системы GPS
.
Алгоритмы приема и измерения параметров спутниковых радионавигационных сигналов
.
Определение координат потребителя
.
Дифференциальный режим
.
Развитие спутниковой навигации
Заключение
Список
литературы
Введение
- что же это такое? Global Positioning System -
система глобального позиционирования, т.е. некая система, позволяющая с большой
точностью определить координаты любого объекта на поверхности Земли.
Благодаря появлению компактных GPS-модулей
спутниковая навигация теперь доступна не только автолюбителям, но и пешеходам,
не желающим часами блуждать по незнакомым окраинам больших городов.
Хотя рядовой пользователь спутниковой
навигационной системы работает только с оконечными устройствами, оснащенными
картами, ему будет полезно иметь общее представление о системе GPS. Зная
принципы работы спутниковой навигации, пользователи GPS
не будут пытаться поймать сигнал под крышей дома, перестанут удивляться сбоям в
работе при прохождении транспортных развязок и т.д.
В своем реферате я постараюсь рассмотреть
некоторые основные принципы работы этой системы.
1. История GPS
Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами,
инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System -
система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети
для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара
был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging - навигационная
система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась
позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в
гражданских целях.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети
были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в
сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28
спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для
полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Поистине ключевым моментом в истории
GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так
называемого селективного доступа (SA - selective availability) - погрешности,
искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских
GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять
координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки
метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима
селективного доступа (данные U.S. Space Command
<#"527235.files/image001.gif">
. Структура навигационных радиосигналов системы
GPS
В системе GPS используется кодовое разделение
сигналов (СDMA), поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой.
Каждый спутник системы GPS излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота
первого сигнала составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго - L2 = 1227,6 МГц.
Сигнал несущей частоты L1 модулируется двумя двоичными последовательностями,
каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода
и передаваемых системных и навигационных данных, формируемых со скоростью 50
бит/с. На частоте L1 передаются две квадратурные компоненты, бифазно
манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность
является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р или засекреченного
кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой
по модулю 2 грубого С/A (открытого) кода и той же последовательности
навигационных данных.
Радиосигнал на частоте L2 бифазно манипулирован
только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор
модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.
Каждый спутник использует свойственные только
ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые
сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно
формируются метки времени спутникового сигнала.
. Состав и структура навигационных сообщений
спутников системы GPS
Структурное деление навигационной информации
спутников системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова.
Суперкадр образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр
передаётся в течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров
по 300 бит и передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра
обозначает метку времени, соответствующую началу/окончанию очередного 6-с
интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом
слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.
В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о
параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установлена связь.
Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всех страницах
суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурации и
состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения, параметры,
описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.
. Алгоритмы приема и измерения параметров спутниковых
радионавигационных сигналов
К сегменту потребителей систем GPS и ГЛОНАСС
относятся приёмники сигналов спутников. По измерениям параметров этих сигналов
решается навигационная задача. Приёмник можно разделить на три функциональные
части:
радиочастотную
часть;
цифровой коррелятор;
процессор.
Рисунок 2. Обобщённая структура
приёмника
С выхода антенно-фидерного
устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотную часть Основная задача
этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании
частоты и аналого-цифровом преобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части
приёмника поступает тактовая частота для цифровой части приёмника. С выхода
радиочастотной части цифровые отсчёты входного сигнала поступают на вход
цифрового коррелятора.
В корреляторе спектр сигнала
переносится на “нулевую” частоту. Это производится путём перемножения входного
сигнала коррелятора с опорным гармоническим колебанием в синфазном и
квадратурном каналах. Далее результат перемножения проходит корреляционную обработку
путём перемножения с опорным дальномерным кодом и накоплением на периоде
дальномерного кода. В итоге получаем корреляционные интегралы I и Q. Отсчёты
корреляционных интегралов поступают в процессор для дальнейшей обработки и
замыкания петель ФАП (фазовая автоподстройка) и ССЗ (схема слежения за
задержкой). Измерения параметров сигнала в приёмнике производятся не
непосредственно по входному сигналу, а по его точной копии, формируемой
системами ФАП и ССЗ. Корреляционные интегралы I и Q позволяют оценить степень
“похожести” (коррелированности) опорного и входного сигналов. Задача
коррелятора, помимо формирования интегралов I и Q, - формировать опорный
сигнал, согласно с управляющими воздействиями (кодами управления), поступающими
с процессора. Кроме того, в некоторых приёмниках коррелятор формирует
необходимые измерения опорных сигналов и передаёт их в процессор для дальнейшей
обработки. В то же время, так как опорные сигналы в корреляторе формируются по
управляющим кодам, поступающим с процессора, то необходимые измерения опорных
сигналов можно производить непосредственно в процессоре, обрабатывая
соответствующим образом управляющие коды, что и делается во многих современных
приёмниках.
Какие параметры сигнала измеряет
коррелятор (процессор)?
Дальность при радиотехнических
измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта
измерения до измерительного пункта. В навигационных системах GPS/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 момент излучения
некоторого фрагмента сигнала (метки времени) спутником в системном времени.
Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника. Шкала
времени приёмника (потребителя) формируется с помощью кварцевых стандартов
частоты, поэтому наблюдается постоянный “уход” шкалы времени приёмника
относительно шкалы времени системы. Разность между моментом приёма фрагмента
сигнала, отсчитанным по шкале времени приёмника, и моментом излучения его
спутником, отсчитанным по шкале спутника, умноженная на скорость света,
называется псевдодальностью [4]. Почему псевдодальностью? Потому что она
отличается от истинной дальности на величину, равную произведению скорости
света на “уход” шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При
решении навигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатами
потребителя (приёмника).
Корреляционные интегралы,
формируемые в корреляторе, позволяют отследить модуляцию сигнала спутника
символами информации и вычислить метку времени во входном сигнале. Метки
времени следуют с периодичностью 6 с для GPS и 2 с для ГЛОНАСС и образуют
своеобразную 6(2)-секундную шкалу. В пределах одного деления этой шкалы периоды
дальномерного кода образуют 1-мс шкалу. Одна миллисекунда разделена, в свою
очередь, на отдельные элементы (chips, в терминологии GPS): для GPS 1023, для
ГЛОНАСС - 511. Таким образом, элементы дальномерного кода позволяют определить
дальность до спутника с погрешностью » 300 м. Для более точного определения
необходимо знать фазу генератора дальномерного кода. Схемы построения опорных
генераторов коррелятора позволяют определять его фазу с точностью до 0,01
периода, что составляет точность определения псевдодальности 3 м.
На основании измерений параметров
опорного гармонического колебания, формируемого системой ФАП, определяют
частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уход относительно номинального
значения даст доплеровское смещение частоты, по которому оценивается скорость
потребителя относительно спутника. Кроме того, фазовые измерения несущей
позволяют уточнить дальность до спутника с погрешностью в несколько мм.
Для определения координат
потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от
потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог
определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы
моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя
происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный
момент времени.
Координаты и составляющие вектора
скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения
спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора
скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей
траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени (около 30
минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их
можно считать постоянными на интервале аппроксимации.
Параметры аппроксимирующей модели
входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется
Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае
траектория полёта КА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один
час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого
сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю
сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а
также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели
оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и
следующем за ним.
В аппаратуре потребителя выделяется
интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение
спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их
параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения
параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем
этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и
составляющие вектора скорости спутника.
Рисунок 3. Определение координат
потребителя
В системе Глонасс для определения
точного положения спутника используются дифференциальные модели движения. В
этих моделях координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются
численным интегрированием дифференциальных уравнений движения КА, учитывающих
конечное число сил, действующих на КА. Начальные условия интегрирования
задаются на узловой момент времени, располагающийся посередине интервала аппроксимации.
Как было сказано выше, для
определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не
менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая
определяется в навигационном приёмнике [4] с точностью около 1 м. Для удобства
рассмотрим простейший “плоский” случай, представленный на рис. 3
<#"527235.files/image005.gif">
Рисунок 4. Космический сегмент
систем ГЛОНАСС и GPS
. Дифференциальный режим
Спутниковые навигационные системы
позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10-15 м. Однако
для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность.
Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта
основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных
навигационных измерений.
Дифференциальный режим DGPS
(Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в
динамической навигационной обстановке и до 1 м - в стационарных условиях.
Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приёмника,
называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными
координатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник. Сравнивая известные
координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с
измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются
потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.
Аппаратура потребителя принимает от
опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении
местонахождения потребителя.
Результаты, полученные с помощью
дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между
объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда
преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по
отношению к приёмнику) причинами. По экспериментальным данным, опорную станцию
рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта.
В настоящее время существуют
множество широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем.
В качестве широкозонных стоит
отметить такие системы, как американ-ская WAAS, европейская EGNOS и японская
MSAS. Эти системы используют геостационарные спутники для передачи поправок
всем потребителям, находящимся в зоне их покрытия.
Региональные системы предназначены
для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно
региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях
и судоходных реках, в портах и по берегу морей и океанов. Диаметр рабочей зоны
региональной системы обычно составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в
своём составе одну или несколько опорных станций.
Локальные системы имеют максимальный
радиус действия от 50 до 220 км. Они включают обычно одну базовую станцию.
Локальные системы обычно разделяют по способу их применения: морские, авиационные
и геодезические локальные дифференциальные станции.
7. Развитие спутниковой навигации
Общее направление модернизации обоих
спутниковых систем GPS и Глонасс связано с повышением точности навигационных
определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением
срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением
совместимости с другими радиотехническими системами и развитием
дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс
совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.
Аналогичное решение было принято в
США, где 5 января 1999 года объявлено о выделении 400 млн. долл. на
модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7
МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА, которые будут
запускаться с 2005 года. Сигнал на частоте L2 намечено использовать для
гражданских нужд, не связанных непосредственно с опасностью для жизни людей.
Предлагается начать реализацию этого решения с 2003 года. Третий гражданский
сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.
навигационный радиосигнал спутник
Заключение
Компании, поставляющие на российский рынок
GPS-навигаторы, наперебой расхваливают свои устройства, тактично умалчивая об
их недостатках. По результатам проведенных тестирований пользователями
различных GPS-устройств на нескольких картах в городах России выяснилось, что
основные проблемы работы GPS-навигаторов в российских условиях объясняются не
сбоями техники (ее функциональность как раз не вызвала никаких нареканий), а
ошибками, допущенными при адаптации западного ПО к отечественным реалиям и
переводе его на русский язык. Кроме того, критические замечания вызывает и
недостаточно оперативное обновление картографической информации, что объясняется
некачественным сервисным обслуживанием, заметно уступающим Европе и США.
Пройдет немного времени, и каждый турист в
России, осваивая новый маршрут, или отдыхающий, отправляясь в другую страну,
сможет свободно пользоваться новейшими геодезическими разработками в «мирных»,
невоенных целях.
Список литературы
1. Глобальная
спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И.
Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.
2. Глобальная
навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ.
М.: КНИЦ ВКС, 1995.
. Липкин
И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.
. Радиотехнические
системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.
. Соловьев
Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.