В состав систем входят следующие функциональные части:
— созвездие ИСЗ (космический сегмент);
— сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
— аппаратура потребителей (сегмент пользователя).
Рисунок 1 — Функциональные части спутниковых навигационных систем
Космический сегмент. В обеих системах для глобального покрытия земной поверхности необходимо 24 спутника. Для возможности выбора четырех спутников с наиболее удобным расположением, вводятся дополнительные спутники. Например, в системе GPS в настоящее время на орбитах находятся 29 спутников. Орбиты спутников выбирались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS — на средних.
Рисунок 2 — Орбиты спутников систем ГЛОНАСС и GPS
Основные характеристики спутниковых сегментов систем приведены в таблице 1.
Таблица 1 Характеристики космических сегментов систем ГЛОНАСС и GPS
| Характеристики | ГЛОНАСС | GPS |
| Количество спутников (проектное) | ||
| Количество орбитальных плоскостей | ||
| Количество спутников в каждой плоскости | ||
| Тип орбиты | Круговая | Круговая |
| Высота орбиты, км | ||
| Наклонение орбиты, град | 64,8±0,3 | |
| Период обращения | 11 ч 15,7 мин | 11 ч 55,9 мин |
На борту каждого спутника имеются атомные часы, солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура.
Сегмент управления и контроля.
Этот сегмент называют также операционной системой управления и контроля. Основными задачами сегмента являются:
— слежение за спутниками для определения их орбит и параметров хода часов спутников;
— прогноз эфемерид спутников;
— временная синхронизация часов спутников;
— загрузка навигационного сообщения на спутники. Существует также много других задач, таких, например, как обеспечение запусков новых спутников.
Центральная станция (главная станция управления и контроля) собирает и обрабатывает данные со станций слежения за спутниками системы. Используя фильтр Калмана, вычисляют и предсказывают эфемериды спутников, а также параметры хода часов спутников. Затем эти данные передают на одну из наземных станций закладки информации, каждая из которых совмещена со станцией слежения за спутниками. Станции закладки информации закладывают информацию в память бортовых компьютеров спутников. Делают это примерно каждый час. На главной станции находятся цезиевые стандарты частоты и времени. В задачи главной станции входит также контроль работоспособности спутников и системы в целом.
Имеется несколько станций слежения за спутниками системы. Каждая из этих станций оборудована высокоточным цезиевым стандартом частоты и приемником закрытого сигнала. Приемник непрерывно, каждые полторы секунды, измеряет псевдодальности до всех находящихся над горизонтом спутников. В псевдодальности вводят поправки на задержки сигнала в ионосфере и нейтральной атмосфере. Затем данные сглаживают на интервалах в пятнадцать минут и передают предварительно обработанную таким образом информацию на главную станцию управления и контроля.
Эту сеть из станций используют для создания широковещательных эфемерид и для определения параметров хода часов спутников. Именно эту информацию пользователь получает из спутникового сообщения. Более точную информацию, но с запаздыванием, получают из результатов наблюдений спутников на контрольных пунктах других сетей.
Если по какой-либо причине закладка новых эфемерид приостановлена, то спутник транслирует старые эфемериды еще в течение 14 суток. Поскольку такие эфемериды являются результатом экстраполяции, то ошибка их постепенно увеличивается с 10 до 200 метров.
Сегмент пользователя. Из трех сегментов спутниковой навигационной системы самой многочисленной является аппаратура пользователей. Системы являются беззапросными, поэтому количество потребителей системы не имеет значения.
Пользователь — это человек или коллектив, имеющий в своем распоряжении всю необходимую для работы спутниковую аппаратуру и программное обеспечение. Следовательно, сегмент пользователя — это совокупность находящихся в работе спутниковых приемников и другой аппаратуры.
Пользователи различаются на категории по нескольким признакам: гражданские и военные, навигаторы и геодезисты, имеющие полный доступ к системе и имеющие ограниченный доступ. Пользователей с полным доступом называют авторизованными, допущенными, уполномоченными. Остальные пользователи, как правило, гражданские, — это неавторизованные пользователи. Аппаратура авторизованных пользователей позволяет получать и обрабатывать информацию такой точности, на которую только способна система.
В системе GPS аппаратура неавторизованных пользователей первоначально была способна получать только информацию с намеренно загрубленной точностью. В 2000 году режим намеренного загрубления был отключен. В системе ГЛОНАСС изначально не предусматривалось искусственного снижения точности открытого сигнала.
Вопросы для самоконтроля:
2. Выберите верное утверждение:
Сегмент управления и контроля:
· принимает сигналы спутников и сообщает пользователям об ошибках, не вмешиваясь в работу космического сегмента;
· закладывает на спутники необходимую информацию без анализа передаваемых ими данных;
· управляет работой спутников, основываясь на анализе посылаемых ими сигналов.
3. Аппаратура какого сегмента спутниковых навигационных систем является самой многочисленной?
· сегмента управления и контроля;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Назначение и состав системы ГЛОНАСС
Основное назначение системы ГЛОНАСС — глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических.
Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижный объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения — три координаты и три составляющие вектора скорости.
Система ГЛОНАСС включает в себя три сегмента: космический сегмент с орбитальной группировкой КА; сегмент управления — наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой КА; сегмент НАП – наземной аппаратуры пользователей.
Основа системы — 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли и равномерно распределенные в 3-х орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120° по абсолютной долготе восходящего узла и имеют условные номера 1, 2 и 3, возрастающие по направлению вращения Земли.
В каждой орбитальной плоскости расположено по 8 спутников со сдвигом по аргументу широты 45°. Орбитальные плоскости сдвинуты друг относительно друга на 15°, т. е. спутники в соседних орбитальных плоскостях смещены на 15° по аргументу широты.
Нумерация позиций спутников производится по порядку их последовательности на орбите в определенный момент времени и против их движения. Спутникам первой орбитальной плоскости присвоены номера 1. 8, второй — 9. 16, третьей — 17. 24. Орбиты спутников являются близкими к круговым, с высотой около 19100 км. Наклонение орбиты составляет 64,8°.
Орбитальная структура системы спутников построена таким образом, что в каждой точке земной поверхности и околоземного пространства одновременно наблюдаются не менее четырех спутников. Их взаимное расположение обеспечивает необходимые точностные характеристики системы.
Непрерывность навигационного поля системы ГЛОНАСС обеспечивается на высотах до 2000 км. Спутники в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли. Благодаря этому значительно снижается возмущающее влияние нецентральности гравитационного поля Земли на орбиты спутников.
Радионавигационное поле ГЛОНАСС наряду с основной функцией позволяет проводить:
— локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций и навигационных КА;
— высокоточную взаимную геодезическую «привязку» удаленных наземных объектов;
— взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах;
— неоперативную автономную навигацию низко — и среднеорбитальных космических объектов;
— определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.
«ГЛОНАСС» — Глобальная Навигационная Спутниковая Система Российской Федерации, предназначенная для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей.
«GPS (Global Positioning System)/НАВСТАР» — глобальная спутниковая система Соединенных Штатов Америки, предназначенная для глобального определения месторасположения и точного времени.
«Бортовой навигационно-связной терминал (БНСТ)» — устройство для регулярной передачи навигационной и телематической информации, предназначенное для работы в составе автоматизированных навигационных систем контроля за транспортными средствами с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, устанавливаемое на транспортное средство.
«ТС» — транспортное средство категории «М2» или «М3», осуществляющее перевозку пассажиров на пригородных (межмуниципальных) и междугородных (внутриобластных) маршрутах.
«Бортовое навигационно-связное оборудование» — БНСТ, оснащенный дополнительными датчиками и системами оповещения (система голосовой связи, датчик уровня топлива, «тревожная» кнопка, датчик входа/выхода пассажиров и др.).
«Перевозчик» — юридическое лицо
, индивидуальный предприниматель, заключивший в установленном порядке с департаментом транспорта и дорожного хозяйства администрации области договор на осуществление перевозок пассажиров автомобильным транспортом общего пользования категории «М2» или «М3» на пригородном (межмуниципальном) и (или) междугородном (внутриобластном) маршруте(ах) регулярных перевозок.
«Система контроля движения ТС» — комплекс специализированных аппаратно-программных средств и бортового навигационно-связного оборудования, позволяющий в режиме реального времени определять местоположение и текущую скорость ТС, а также хранить и обрабатывать информацию от БНСТ за любой промежуток времени.
«Диспетчерское программное обеспечение» — специализированное программное обеспечение, состоящее из серверной и клиентской частей, позволяющих на основании сигналов от БНСТ получать информацию в режиме реального времени о местонахождении ТС, скорости их движения, состоянии подключенных к БНСТ датчиков, а также формировать отчеты о транспортной работе ТС за любой промежуток времени.
«Серверная часть диспетчерского программного обеспечения» (сервер ядра) — комплекс специализированных аппаратно-программных средств, обеспечивающий функционирование общей базы данных системы контроля движения ТС, доступ к этой базе с автоматизированных рабочих мест специалистов ИАЦ и диспетчерских рабочих мест Перевозчиков и выполняющий задачи по взаимодействию с телематическим сервером, сбору и накоплению информации о местоположении ТС и состоянии датчиков БНСТ, управлению электронной видеограммой (картой) местности, подготовке данных для формирования отчетных форм о транспортной работе ТС за любой промежуток времени.
«Клиентская часть диспетчерского программного обеспечения» — специализированное программное обеспечение, которое обеспечивает функционирование рабочих мест специалистов и диспетчеров Перевозчиков и управляет внесением изменений в информационную базу данных системы контроля движения ТС, получает информацию в режиме реального времени о местонахождении ТС, скорости их движения, состоянии подключенных к БНСТ датчиков, а также формирует отчеты о транспортной работе ТС за любой промежуток времени.
«Телематический сервер» — комплекс аппаратно-программных средств, предназначенный для обработки и хранения в базе данных сигналов от БНСТ, передачи их на сервер ядра, а также передачи сигналов от диспетчерского программного обеспечения к БНСТ.
«Телематический оператор» — специализированная организация, обеспечивающая беспроводной обмен сообщениями и командами между БНСТ и информационно-аналитическим центром с использованием телематического сервера, а также внедрение, эксплуатацию и сопровождение (организационное, техническое, информационное) телематического сервера, сервера ядра специализированного комплекса аппаратно-программных средств, диспетчерского программного обеспечения.
«Информационно-аналитический центр (ИАЦ)» — организация, осуществляющая свою деятельность на возмездной основе и использующая в своей работе комплекс специализированных аппаратно-программных средств (сервер ядра и клиентскую часть диспетчерского обеспечения), позволяющий определять местонахождение ТС, скорость их движения в режиме реального времени, а также формировать отчеты о транспортной работе всех ТС и предназначенный для обработки, хранения и передачи данных до удаленных специализированных рабочих мест, как Перевозчиков, осуществляющих перевозки на пригородных (межмуниципальных) и междугородных (внутриобластных) маршрутах, так и органов управления.
Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скороти и направлення движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов.
Состав системы GPS / ГЛОНАСС
Космический сегмент.
Космический сегмент системы GPS/ГЛОНАСС состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.
Наземный сегмент.
В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.
Рисунок 1 – Наземный сегмент сиситемы GPS
Аппаратура пользователей
Принцип действия GPS
Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трёх окружностей (рисунок 2). Расстояние до спутников определяется простым уравнением
t – время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя,
с – постоянная величина, равная скорости света.
Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPS приемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.
Рисунок 2 – Определение местоположения объекта.
Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS приемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколько десятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычисление позиции.
Точность системы
Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и находится под контролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-премников ухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50–150 м.
В действительности, на практике все выглядит несколько сложнее, чем в теории. Это объясняется влиянием на GPS измерения различного рода ошибок. Можно выделить три категории ошибок (рисунок 3):
· Ошибки связанны с распространением навигационного сигнала.
· Ошибки приемной аппаратуры.
Рисунок 3 – Категории ошибок GPS.
Ошибки системы связаны точностью атомных часов спутников и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом GPS спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталона времени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому, все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных сообщений и учитываются GPS приемником в вычислениях позиции.
Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит GPS спутников, но небольшие ошибки все равно присутствуют.
Наиболее существенный вклад в навигационные измерения вносят ошибки, связанные с распространением сигнала атмосфере Земли, а именно в ионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время. Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от GPS приемника до спутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят все погодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скорость распространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используют дифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников WAAS/EGNOS и позволяют повысить точность позиционирования до 1 метра.
Загрузка...