Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

Винокур И.Е.

Черкасский государственный технологический университет

Принципы организации спутниковой навигации GPS

Введение

Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов (шкал времени) спутников с необходимой точностью. Рассогласование опорных генераторов спутников на 10 нс приводит к ошибке в определении координат потребителя 10—15 м [1]. Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики при создании высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ. Аппаратура приемника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя.

Сетевая радионавигационная спутниковая система GPS

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Ее основное назначение — высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

•   по космическому сегменту — Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

•      по сегменту управления — IBM, Federal System Company;

•      по сегменту потребителей — Rockwell International, Collins Avionics & Communication Division [1].

GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальной навигационной системы GPS

Орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна 20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые сказывались на их характеристиках в целом.

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 путем 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.

 

Алгоритмы приема и измерения параметров спутниковых радионавигационных сигналов

К сегменту потребителей систем GPS относятся приемники сигналов спутников. По измерениям параметров этих сигналов решается навигационная задача. Приемник можно разделить на три функциональные части:

•      радиочастотную часть;

•      цифровой коррелятор;

•      процессор.

С выхода антенно-фидерного устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотную часть (рис. 2). Основная задача этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровом преобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части приемника поступает тактовая частота для цифровой части приемника. С выхода радиочастотной части цифровые отсчеты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.

 

Рисунок 2. Обобщенная структура приемника

В корреляторе спектр сигнала переносится на “нулевую” частоту. Это производится путем перемножения входного сигнала коррелятора с опорным гармоническим колебанием в синфазном и квадратурном каналах.

Определение координат потребителя

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.

Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полета КА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задается 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 системе GPS 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 приемнике [3] с точностью около 1 м.

Сфера применения и примеры использования спутниковой системы навигации

Сфера применения спутниковой системы навигации огромна. Она используется для навигации судов в туманную погоду, отслеживания транспортировки ценных грузов, точной посадки самолетов, поиска затонувших кораблей и отслеживания опасных айсбергов. Нельзя недооценить важность GPS и для спасательных служб.

         Потенциальными потребителями услуг являются: государственные и негосудар­ственные транспортные компании и АТП, международные грузо-пассажироперевозчики, охранные фирмы, транспортные и экспедиторские компании, службы железнодорожного транспорта, порты, аэропорты, таксопарки, спе­циальные мобильные подразделе­ния силовых структур, охранные ведомства и предприятия, инкас­сация, владельцы личного автотранс­порта, физические лица как субъекты охраны.

Применение GPS систем

·     Контроль водителей н GPS-навигация транспорта Точные данные обо всех передвижениях, маршрутах, ско­рости движения и стоянках с привязкой к карте местности и времени с точностью до минуты.

·     Дублирование противоугонной системы транспорта С помощью спутниковой системы навигации GPS Grad можно проследить за угнанным транспортом или вовремя заблокировать управление транспорта. Для автотранспортных предприятий Возможность пресечь нецелевое использование автотранс­порта и проконтролировать реальность заявляемых пробегов. Эффективно повышает дисциплину на предприятии, снижает простои автопарка, дает возможность своевременно реагиро­вать на любые ситуации. Прокат автомобилей.

·     Возможность проконтролировать с помощью GPS-устройств реальный пробег авто, выезды за пределы оговорен­ной территории, скоростной режим, время и место простоя (соблюдение условий договора аренды), дублирование поиско­во-противоугонной системы. Аренда техники.

·     Возможность проконтролировать, сколько времени и где работала техника, и какие механизмы задействовались, параметры рабочих узлов - на технику устанавливаются специальные GW-устройства для контроля и управления автотранспортом. Служба доставки и курьерские службы Возможность координировать работу транспорта, опера­тивно реагировать на рабочую ситуацию, дорожную обстанов­ку, корректировать маршруты и перераспределять задачи в зависимости от меняющихся обстоятельств. Сокращает про­стои в роботе, помогает скоординировать слаженную работу всех подразделений предприятия. Отыскав свободный от соз­давшихся пробок путь, операторский отдел сможет эффектив­но управлять транспортными потоками. Перевозка ценных грузов. [4]

Выводы

Наряду с развитием спутниковых группировок ГНСС, активно совершенствуются технологии, аппаратура и программное обеспечение наземного комплекса приема, обработки и анализа спутниковых сигналов для решения постоянно расширяющего круга прикладных задач. Глобальные спутниковые навигационные системы в ближайшем будущем составят неотъемлемую часть инфраструктуры любого государства и напрямую будут влиять не только на безопасность, но и на развитие экономики и социальной сферы в целом.

 

Литература:

1.  Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998 - 400 с.

2.  Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001 – 288 с.

3.  Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: КНИЦ ВКС, 1995 –54 с.

4.  http://www.logistics.ru/20/2/5/i20_46.htm:Л.Б. Миротин, А.Г. Некрасов / Бюл. транспортной информации N 007. - С. 26-31 от 29.07.2003.