Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;

Определение сейсмической активности;

Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;

Геодезия – определение точных границ земельных участков;

Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS.

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;

Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;

Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.

Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

Погрешность в вычислении орбит;

Ошибки, связанные с приемником;

Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;

Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;

Геометрия расположения спутников.

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:

Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;

Количество орбитальных плоскостей – 6;

Высота орбиты – 20000 км;

Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;

Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;

Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;

Наличие картографической поддержки;

Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;

Получить альманах и сохранить его в памяти;

Получить эфемериды от спутника и сохранить их;

Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;

Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Основы спутниковой навигации в альпинизме. Практическое применение систем спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС.

часть 1

В горовосхождении в настоящий момент широко применяются различные приборы спутниковой навигации, однако даже базовые теоретические основы работы таких приборов зачастую остаются «за скобками», что порождает различные «мифы» о спутниковой навигации как таковой и о возможностях ее использования в альпинизме. Мне хотелось провести небольшой «ликбез» в этой области, и такая возможность мне представилась в рамках Центральной Школы Инструкторов Московского региона (ЦШИМ), проходившей в период с октября по ноябрь 2015г. В результате был собран материал, который на мой взгляд может быть интересен не только в рамках ЦШИМ — поэтому думаю он имеет право быть размещенным здесь для общего обозрения.

Материал представлен в виде двух статей — первая часть — ниже представляет собой краткий экскурс по принципам работы систем спутниковой навигации, а вторая часть — практическое руководство по выбору и использованию приборов спутниковой навигации в альпинизме.
Заранее прошу простить многие существенные упрощения — статья ориентирована не на технических специалистов и призвана дать базовое понимание принципов работы систем спутниковой навигации и возможностей их использования.

Что такое спутниковая навигация

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

Что такое геокоординаты

Широта́ — угол φ между местным направлением зенита и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0° до 90° в обе стороны от экватора. Географическую широту точек, лежащих в северном полушарии, (северную широту) принято считать положительной, широту точек в южном полушарии — отрицательной. О широтах, близких к полюсам, принято говорить как о высоких, а о близких к экватору — как о низких.

Долгота́ — двугранный угол λ между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, от которого ведётся отсчёт долготы. Долготу от 0° до 180° к востоку от нулевого меридиана называют восточной, к западу — западной. Восточные долготы принято считать положительными, западные — отрицательными.
Выбор нулевого меридиана произволен и зависит только от соглашения. Сейчас за нулевой меридиан принят Гринвичский меридиан, проходящий через обсерваторию в Гринвиче, на юго-востоке Лондона. В качестве нулевого ранее выбирались меридианы обсерваторий Парижа, Кадиса, Пулково и т. д.
В пределах географической оболочки применяется обычно ‘высота над уровнем моря’, отсчитываемая от уровня «сглаженной» поверхности — геоида. Такая система трёх координат оказывается ортогональной, что упрощает ряд вычислений. Высота над уровнем моря удобна ещё тем, что связана с атмосферным давлением.
Расстояние от земной поверхности (ввысь или вглубь) часто используется для описания места, однако не служит координатой.

Геоид и квазигеоид
Геоид (греч. geoeides, от ge – Земля и eidos – вид) – образованная основной уровенной поверхностью замкнутая фигура принимаемая за обобщенную поверхность Земли.
Поверхность геоида является одной из уровенных поверхностей потенциала силы тяжести. Эта поверхность, мысленно продолженная под материками, образует замкнутую фигуру, которую принимают за сглаженную фигуру Земли. Часто под геоидом понимают уровенную поверхность, проходящую через некоторую фиксированную точку земной поверхности у берега моря.
Понятие о геоиде сложилось в результате длительного развития представлений о фигуре Земли как планеты, а самый термин «геоид» предложен И. Листингом в 1873 г. От геоида отсчитывают нивелирные высоты. По современным данным, средняя величина отступления геоида от наиболее удачно подобранного земного сфероида составляет около ±50 м, а максимальное отступление не превышает ±100 м.
Высота геоида в сумме с ортометрической высотой определяет высоту Н соответственной точки над земным эллипсоидом. Поскольку распределение плотности внутри Земли с необходимой точностью неизвестно, высоту Н в геодезической гравиметрии и геодезии, согласно предложению М. С. Молоденского, определяют как сумму нормальной высоты и высоты квазигеоида.
Для точного определения поверхности геоида какой-либо точки необходимо выполнить комплекс измерений, непосредственно на поверхности геоида. Что практически не возможно, либо в соответствующей точке на физической поверхности Земли с учетом распределения масс в этом месте, что также не предоставляется возможным. По этой причине было предложено вместо поверхности геоида использовать квазигеоид, – поверхность близкую к поверхности геоида, определяемая только по результатам измерений на земной поверхности без привлечения данных по распределению масс.
Поверхность квазигеоида определена значениями потенциала силы тяжести на земной поверхности, и для изучения квазигеоида результаты измерений не нужно редуцировать внутрь притягивающей массы. Квазигеоид отступает от геоида в высоких горах на 2–4 м, на низменных равнинах – на 0,02-0,12 м, на морях и океанах поверхности геоида и квазигеоида совпадают.
Фигуру квазигеоида определяют методом астрономо-гравиметрического нивелирования или через предварительное определение возмущающего потенциала по материалам наземных гравиметрических съёмок и наблюдений за движением искусственных спутников Земли. Последние данные необходимы в связи с недостаточной гравиметрической изученностью некоторых областей Земли
Поверхность геоида, из-за ее сложности, математически никак не выражается, поэтому на ней нельзя решать геодезические задачи. Для решения таких задач взамен поверхности геоида принимают поверхность эллипсоида вращения – близкой по форме геоиду, но математически правильной поверхности, на которую можно перенести результаты измерений выполненных на физической поверхности Земли.
Для упрощения расчетов поверхности геоида и получения более точных результатов моделирования, математики применяли и применяют различные приемы (поверхность квазигеоида Молоденского, модель геоида EGM96, использующая сферические функции – гармоники и т. д.). Все эти математические приемы достаточно сложны. В последние годы заметный прогресс в получении реальной модели земной поверхности позволило получить развитие спутниковой системы измерений.
В настоящее время наиболее широкое использование получил геоцентрический эллипсоид WGS84 (World Goodetic System 1984). Он служит основой для измерения местоположений во всем мире. Система спутниковой навигации GPS сообщает координаты в системе эллипсоида WGS84 (World Goodetic System 1984).
Общеземной эллипсоид ориентируется в теле Земли согласно следующим условиям (определяемыми международными геодезическими организациями, которые организуются и направляются Международной ассоциацией геодезии, действующей по инициативе и в рамках Международного геодезического и геофизического союза):
– Малая полуось должна совпадать с осью вращения Земли.
– Центр эллипсоида должен совпадать с центром масс Земли.
– Сумма квадратов отступлений геоида от общеземного эллипсоида должна быть по всей Земле наименьшей из всех возможных.
Тем не менее, некоторые погрешности и отступления от реальной поверхности имеются при любых, применяемых в настоящее время, расчетах и измерениях.
Для геодезических работ рекомендуется использовать средний эллипсоид GRS80 (Geodetic Reference System 1980), принятый Генеральной Ассамблеей Международной ассоциацией геодезии в 1979 г

Принципы работы навигационных систем GPS/ГЛОНАСС
Глобальная система позиционирования GPS – это система, позволяющая с точностью не меньше нескольких десятков метров определить местоположение объекта, то есть его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.
GPS состоит из совокупности определённого количества искусственных спутников Земли и наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве пользовательского оборудования служат индивидуальные GPS-приёмники, способные принимать сигналы со спутников и по полученной информации вычислять своё местоположение.

Орбитальная группировка
Вся система функционирует на основе орбитальных спутников. Они находятся на шести орбитах, высота которых составляет порядка 20000 километров.
Несмотря на то, что для нормальной работы системы достаточно 24-х спутников, на данный момент в орбитальную группировку входит 30 рабочих аппаратов. Это помогает добиться более точного определения координат.

Все спутники передают данные на приемник посредством радиосигнала, транслирующегося на две частоты. Одна из них считается гражданской и имеет индекс L1 (1575.42 МГц), вторая же используется в основном военными и маркируется как L2 (1227.60 МГц). На основании данных, передаваемых с помощью L1, можно добиться точности позиционирования до 3-х метров. Если же наряду с «гражданской» L1 использовать еще и «военную» L2, то погрешность определения координат снижается до нескольких миллиметров. Однако такая точность необходима крайне редко, поэтому большинство современных коммерческих GPS- приемников используют исключительно L1. L2 же, помимо военных нужд, применяется еще и в дорогостоящем геодезическом оборудовании.
Спутники системы GPS находятся на различных круговых орбитах, плоскости которых разнесены по долготам через 60° и наклонены к плоскости экватора на 55°. Период обращения одного спутника составляет порядка 12 часов.
Регулярно спутники передают на Землю:
– Свой статус (сообщение об исправности или неисправности)
– Текущую дату
– Текущее время
– Данные альманаха (орбитальные данные всех спутников)
– Точное время отправки всей совокупности сообщений
– Бортовые эфемериды (расчётные координаты своего положения в этот момент времени)

Как определяется местоположение
Теоретически для определения местоположения необходимы данные с трех спутников. Попробуем разобраться, как происходит этот процесс. Допустим, нам известна величина расстояния от одного спутника до приемника. Зная ее, мы можем нарисовать окружность вокруг спутника, на краю которой и будет находиться наш приемник.

В случае двух спутников — приемник находится где то на пересечении двух сфер:

В случае трех спутников — возможно определить точную координату приемника как точку пересечения окружностей.

То есть теоретически координаты приемника можно определить по сигналам с трех спутников. В реальном случае для определения координат приемника используется четыре и более спутников.

Различные формы записи географических координат
– 21.36214, -157.95341
– N21.36214, W157.95341
– 21.36214°N, 157.95341°W
– 21°21.728’N, 157°57.205’W
– 21°21’43.7″N, 157°57’12.3″W
Форма записи координат в ГРАДУСАХ наиболее удобна для ручного ввода и совпадает с математической записью числа. Форма записи координат в ГРАДУСАХ И МИНУТАХ является предпочтительной во многих случаях, такой формат установлен по умолчанию в большинстве GPS навигаторов и стандартно используется в авиации и на море. Классическая форма записи координат в ГРАДУСАХ, МИНУТАХ И СЕКУНДАХ в действительности не находит большого практического применения.

Сколько километров в 1 градусе широты и долготы
1 градус ШИРОТЫ соответствует приблизительно 111 км.
1 градус ДОЛГОТЫ соответствует приблизительно 111 км на ЭКВАТОРЕ, при движении к полюсам соответствующее расстояние убывает пропорционально КОСИНУСУ ШИРОТЫ. Например, для Москвы 1 градус долготы 111 км * cos(55.7°) ≈ 62 км.
Из этих соотношений можно определить, например, что запись координат в градусах с 6 знаками после десятичной точки обеспечивает точность порядка 111 км * 0.000001 ≈ 0.1 метра на местности, заведомо избыточную.
Округление координат до целого числа секунд дает точность порядка 111 км / 3600 ≈ 30 метров.

Привязка к карте
На практике нас редко интересуют цифровые данные географических координат. Значительно чаще нас интересует расстояние и направление до тех или иных объектов и наше местоположение относительно них.
Данные о расположении различных географических объектов принято представлять в виде КАТРЫ.
Для привязки трехмерных географических координат к карте используются данные математической модели земной поверхности — ГЕОИДА. При этом система координат карты и системы навигации должна совпадать. Использование неверных систем координат может привести к значительным погрешностям.
Для работы со спутниковыми системами навигации рекомендуется модель WGS84.

В следующей части мы попробуем рассмотреть некоторые практические аспекты выбора и использования приборов спутниковой навигации применительно к альпинизму.

Надеюсь эта информация была Вам полезна и хочу еще раз выразить благодарность ЦШИМ – 2015, которая была организована:
Федерацией Альпинизма России (ФАР)

http://alpfederation.ru/

Федерацией Альпинизма и Скалолазания Москвы (ФАИСМ)

http://www.faism.ru/

И поддержана партнерами Центральной Школы Инструкторов для Москвы (ЦШИМ):

Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

История GPS

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

• Мобильная связь;
• Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
• Определение сейсмической активности;
• Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
• Геодезия – определение точных границ земельных участков;
• Картография;
• Навигация;
• Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

• Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
• Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
• Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
• Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

• Погрешность в вычислении орбит;
• Ошибки, связанные с приемником;
• Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
• Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
• Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS:

• Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
• Количество орбитальных плоскостей – 6;
• Высота орбиты – 20000 км;
• Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
• Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
• Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

• Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
• Тип антенны;
• Наличие картографической поддержки;
• Тип дисплея;
• Дополнительные функции;
• Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

• Найти спутник и установить с ним связь;
• Получить альманах и сохранить его в памяти;
• Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
• Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
• Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Принцип работы спутниковых систем навигации;

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 – нам важно ваше мнение.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Измерение расстояния происходит при помощи сравнения времени отправки сигнала (хранящегося в передаваемом пакете с временем приема пакета).

Таблица положений всех спутников называется альманахом. Для выполнения измерений, спутниковый приемник должен содержать в своей памяти эту таблицу. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел (прошло не более 2-х дней) – мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных математических вычислений и геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить текущее положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, в составе своего сигнала используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. Д [5].

Рисунок 2 – Принцип работы спутниковых систем навигации

Технические параметры систем GPS и ГЛОНАСС

В настоящее время работают или готовятся к развёртыванию системы спутниковой навигации, представленные в табл. 1.

К основным системам спутниковой навигации, как наиболее развернутым, относятся системы GPS и ГЛОНАСС. Обе системы имеют двойное назначение – военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (

100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (

10-15 м и точнее) для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для GPSи России для ГЛОНАСС). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приёмникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено).

Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах – 24 . Группировка GPS 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 идёт её активное восстановление. До конца 2009 года планируется запуск необходимого до штатного функционирования навигационных спутников.

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
координатно-временного и навигационного обеспечения

ПРИКЛАДНОЙ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ГЛОНАСС

О навигации

Поддержка потребителей

Принципы навигации

Основные элементы спутниковой системы навигации

НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ

Принцип работы системы
навигации

НАВИГАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ

CИСТЕМЫ КООРДИНАТ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СНИЖЕНИЕ ТОЧНОСТИ

СИСТЕМЫ ВРЕМЕНИ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИИ

Основные элементы спутниковой системы навигации

Космический сегмент

Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Пользовательский сегмент

Принцип работы системы навигации

Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.

На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии – это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один – смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Системы координат

Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли, о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.

Геоцентрические системы координат – системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.

Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:

• радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
• лазерная локация космических аппаратов (SLR),
• доплеровские измерительные системы (DORIS),
• навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.

Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.

В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.

Как это работает? | Спутниковая система навигации

Идея создания спутниковой системы навигации родилась в 50-е годы прошлого века. Американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника, и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Тем самым, точно зная свои координаты на Земле, можно измерить положение и скорость спутника, и наоборот, зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Первые шаги по созданию GPS были предприняты американцами в 1964 году с запуском спутников по программе Timation на околоземную орбиту. Изначально GPS задумывался как военная технология, но в процессе работы систему решили использовать для гражданских целей. Для этого специальным алгоритмом была уменьшена ее точность. Советские ученые начали работу над отечественной системой ГЛОНАСС в 76 году. Изначально она также имела лишь военное предназначение.

Спутники GPS вращаются вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям по 4 спутника в каждой на высоте 20 180 км. За звездные сутки они совершают два полных витка вокруг Земли. Орбита спутников ГЛОНАСС в отличие от GPS располагается на высоте 19 400 км для более точного использования в северных и южных полярных регионах.

Задача усложняется тем, что время на часах принимающего устройства не совпадает с тем, что показывают часы спутников. Кроме того, спутники подвержены эффектам релятивистского и гравитационного искажения времени. На высоте 20 000 километров гравитация достаточно слаба, а спутники перемещаются с большой скоростью. Из-за этих эффектов часы приходится корректировать на 38 миллисекунд в сутки. Если этого не делать, то погрешность при определении координат на Земле может составлять около 10 км!

Недостатками навигационных систем является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может не доходить до приемника: например, в подвале или тоннеле. Также уровень приема может ухудшаться из-за большой облачности и магнитных бурь.

Спутник нашей планеты, отражающий солнечный свет, всегда был предметом восхищения. Сама мысль о том, что человек когда-нибудь сможет ходить по поверхности Луны внушала трепет. Эпоха покорения космоса, которая стала следствием гонки вооружений между двумя сверхдержавами СССР и США в результате привела к высадке человека на Луну. Это событие, безусловно, является одним из величайших достижений человечества. […]

Япония — четвертая в мире космическая держава после США, России и Китая. Несмотря на то, что страна восходящего солнца в настоящее время специализируется в основном на запусках орбитальных спутников, уже в ближайшее время Япония может совершить настоящий прорыв в области авиакосмических проектов. Так, японское космическое агентство JAXA официально объявило о том, что в ее планах […]

Европа — один из галилеевых спутников Юпитера, вращающийся на довольно близкой к планете-гиганту орбите. Ученые уже довольно долго спорят по поводу наличия какой-либо инопланетной жизни под толстым слоем льда этой небольшой луны, ведь всесторонние наблюдения при помощи телескопов и пролетающих мимо спутника космических аппаратов показали, что под поверхностью Европы может скрываться глобальный океан, незамерзающий благодаря […]