Спутниковая система навигации

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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 1 Основные элементы 2 Принцип работы 3 Современное состояние 3.1 NAVSTAR 3.2 ГЛОНАСС 3.3 Beidou 3.4 Galileo 4 Технические детали работы систем 5 Дифференциальное измерение 6 См. также 7 Ссылки

[править] 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.

[править] 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.

[править] Современное состояние

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

[править] NAVSTAR

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

[править] 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.

[править] Beidou

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

[править] Galileo

Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

[править] 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 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. Первый получается из второго введением специальных помех, которые могут быть учтены после получения ключей от Военного Ведомства США. 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 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.

[править] 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 10-50 см 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. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию ("дифференциальную поправку к координатам"), позволяющую повысить точность измерения координат приемника до десяти сантиметров. Дифпоправка основана на геостационарных объектах (спутниках, наземных базовых станциях), обычно является платной (расшифровка сигнала возможна только одним определенным приемником после оплаты "подписки на услугу"). В настоящее время (2006-й год) существует бесплатная европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), основанная на двух геостационарных спутниках на юге, дающая высокую точность (до 30 см), но работающую с перебоями и ненадежно. В Северной Америке ее аналогом является система WAAS.

[править] См. также

• Время спутниковых навигационных систем
• Геокэшинг
• GSM-позиционирование
• Trimble
• Проект OpenStreetMap
• CDMA

[править] Ссылки

• Как работает GPS? (на англ. яз.)
• Вся правда о GPS-навигации
• GPS изнутри