Тема 7 ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ. Тема 7 виды физических линий связи

• Название: Тема 7 виды физических линий связи
• Дата: 30.11.2021
• Размер: 0.75 Mb.
• Имя файла: Тема 7 ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ .pptx
• Тип: Документы; #286353
• страница: 4 из 7

7.5. Глобальные системы ориентации

• Глобальная система ориентации (Global Positioning System – GPS) предназначена для определения текущих координат объекта на поверхности Земли или в околоземном пространстве.
• GPS состоит из искусственных спутников Земли (космический сегмент), сети наземных станций (наземный сегмент) и пользовательских приемников.
• Вначале такие системы предназначались для военных целей. На текущий момент GPS – приемники разных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности, начиная от навигации, заканчивая персональным контролем и различными играми. По результатам многих исследований использование GPS дает большой экономический эффект для мировой экономики и экологии – повышается безопасность движения, улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.

• Эра глобальных навигационных систем началась в 1978 году, когда министерство обороны США запустило в эксплуатацию NAVSTAR GPS, более известную под названием GPS. В 2000 году правительство США сделало GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70–100 метров. С 1 мая 2000 года этот режим был отключен и точность позиционирования повысилась до 3–10 метров.

• Первый спутник ГЛОбальной Наавигационной Спутниковой Системы – ГЛОНАСС – был выведен на орбиту Советским Союзом 12 октября 1982 года, 24 сентября 1993 года система была введена в эксплуатацию. До начала 2007 года ГЛОНАСС использовалась исключительно в военных целях. С 1 января 2007 года все ограничения на её использование были сняты.

• Для обеспечения независимости от США и России Европа создает свою систему ориентации – GALILEO, начало полноценного функционирования которой ожидается в 2014–2016 годах.
• Китай успешно создает национальную навигационную спутниковую систему COMPASS/Beidou-2. По высказываниям главного инженера China Electronics Technology Group Corp. Као Чонга (Cao Chong) COMPASS превратится в глобальную систему к 2020 году. Система на первом этапе должна будет содержать 12 спутников (к концу 2010 года система имела 6 спутников), на втором этапе количество спутников должно быть доведено до 30. Военные представители заявляют, что система COMPASS (военное название Tang) будет состоять из 35 спутников. Система должна обеспечивать гражданских пользователей точностью позиционирования в 10 метров, будет также использоваться для передачи текстовых сообщений в удаленных и морских областях.

• Япония создает систему QZSS – Квази-Зенит спутниковую систему (первый спутник запущен 11 сентября 2010 года), ориентированную на мобильные приложения. QZSS состоит из нескольких спутников, которые летают по эллиптическим орбитам, проходящим вблизи зенита над Японией, и направленную на повышение точности позиционирования от одного метра до сантиметров в условиях высоких гор и зданий.
• Индия создает национальную спутниковую навигационную систему IRNS(the Indian Regional Navigation System). IRNS ориентирована на решение широкого круга задач, прежде всего для навигационновременных определений на автомобильном, железнодорожном и авиационном транспортном рынках Индии.

• В отличие от глобальных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compas, которые состоят из 24–30 спутников, индийская система будет состоять из 7 аппаратов на 24-часовой орбите (3 спутника на геостационарной и 4 на наклонных геосинхронных орбитах) для создания координатно-временного информационного поля на Индийском субконтиненте и в акватории Индийского океана, постепенно становящегося признанной зоной национальных интересов Индии. Все компоненты системы (космические аппараты, наземный сегмент и аппаратура пользователей) будут изготовлены в Индии. Семь геостационарных спутников, по расчетам составляют минимальный состав системы, обеспечивающий навигационные определения с заданной точностью – не хуже 20 метров. Расчетная стоимость системы составит около 360 млн. долл.

• Отметим, что запускаемые в производство интегральные схемы приемников способны принимать и обрабатывать сигналы от нескольких систем. Так одночиповый приемник Teseo II компании STMicroeleсtronics (Франция) способны принимать сигналы от GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, QZSS. Разработанный в КБ «НАВИС» и компании «ГеоСтарНавигация» приемник поддерживает GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, COMPASS. Чипы для мобильных устройств с поддержкой ГЛОНАСС выпускает американская компания Qualcomm.
• В настоящее время реальное применение имеют американская система NAVSTAR GPS, российская ГЛОНАСС. Наклон орбит спутников GPS обеспечивает лучшие характеристики позиционирования на территории США и в широтах, близких к южным. ГЛОНАСС обеспечивает лучшие характеристики позиционирования на территории бывшего СССР, Западной Европы и северных широтах.

• Физические и геометрические принципы действия глобальных систем ориентации
• Хотя глобальные системы ориетации (ГСО) являются чрезвычайно сложными и высокоорганизованными техническими системами, идеи и принципы, на которых основано их действие, весьма просты: это — определение местоположения объекта путем измерения расстояния до него от исходных точек, координаты которых известны. Сложность же реализации этих идей обусловлена стремлением сделать систему 107А107тупной в любое время на всей Земле и в окружающем пространстве (глобальной). Для этого в качестве исходных точек выбраны искусственные спутники Земли, излучающие дальномерные радиосигналы, которые пользователь принимает на специальный приемник. Но спутники движутся по своим орбитам, поэтому система должна предоставлять пользователю информацию о координатах системы на любой момент выполнения измерений.

• В основе применяемого в ГСО метода определения местоположения лежит так называемая линейная геодезическая засечка. Ее суть сводится к известной со школы геометрической задаче: найти на плоскости положение точки Р0 (объект) если известны положения двух других точек С1 и С2 и расстояния от них р1 и р2 до точки Р0 (рис. 7.8).

• Рис.7.8. Определение расстояния от известной точки до объекта в двухмерном пространстве

• Искомая точка Р0, очевидно, принадлежит одновременно двум окружностям с радиусами р1 и р2, описанным из центров C1 и С2, т.е. 108А108ерется одной из двух точек пересечения этих окружностей. Из теоремы Пифагора радиусы (гипотенузы соответствующих треугольников) находятся по формулам:
• где Хj , Yj (j = 0, 1, 2) – прямоугольные координаты точек на плоскости.

• Заметим, что (X0 – X1)2 = (X1 – X0)2 , поэтому в выражении (1) использована общепринятая запись.
• Если известны расстояния р1 и р2, то искомые координаты Х0, Y0 точки Р0 находятся из решения системы (1) двух уравнений с двумя неизвестными.
• При обобщении этой задачи от плоского построения к пространственному вводится третья координата Z (рис.7.9).

• Рис. 7.9. Определение расстояния от известной точки до объекта в трехмерном пространстве

• Стало быть, для определения теперь уже трех искомых координат Х0, Y0, Z0 объекта Р0 понадобится решать систему из трех уравнений:

• Следовательно, при решении пространственной линейной засечки должно быть 3 исходных пункта (спутника) (которые, между прочим, не должны лежать на одной прямой, иначе система не будет иметь определенного решения). Разумеется, количество исходных точек, до которых измерены расстояния, может быть и больше трех, — тогда система (7.2) становится переопределенной и задача решается методом наименьших квадратов. Привлечение избыточных измерений, помимо повышения точности определения координат, дает еще возможность включения в систему уравнений дополнительных неизвестных параметров, определение которых необходимо для работы с ГСО (в первую очередь — поправки часов на спутнике и в приемнике).

• С помощью описанного метода геодезической засечки в ГСО решаются две главные задачи (рис. 7.10):
• • определение координат спутника по измеренным до него расстояниям от наземных пунктов с известными координатами (прямая геодезическая засечка);
• • определение координат наземного (или надземного) объекта по измеренным до него расстояниям от нескольких спутников, координаты которых известны (обратная геодезическая засечка).

• Рис.7.10. Схема определения координат спутника (а) и наземного пункта (б).

• Первую задачу решает служба управления системой, вторую — потребитель.
• Измерения расстояний до спутников производятся с помощью их локации электромагнитными волнами светового или радиодиапазонов. Фактически измеряется время распространения волн между спутником и приемником τ, а искомое расстояние ρ – вычисляется по формуле (7.3):
•   с  , (7.3)
• где c- скорость света.

• Существуют двунаправленный и однонаправленный методы локации.
• При использовании двунаправленного метода лазерной локации ИСЗ световой импульс излучается наземным дальномером в момент tQ , достигает спутника и, отразившись от установленного на нем блока призм, возвращается к дальномеру в момент tE. Поскольку импульс пробегает трассу дважды (прямо и обратно), в формуле (7.3) следует полагать  = 1/2 (tQ – tE). Отметим, что моменты излучения и приема светового импульса регистрируются с помощью одного устройства — измерителя интервалов времени, благодаря чему здесь не возникает проблема взаимной синхронизации часов, о которой речь пойдет ниже. В то же время, метод лазерной локации ИСЗ требует весьма громоздкого и дорогого электронного и оптического оборудования, устанавливаемого обычно стационарно, и хотя на спутниках GPS имеются уголковые отражатели, лазерная локация их применяется только для решения специальных задач калибровки.

Однонаправленный радиодальномерный метод, применяемый в GPS — однонаправленный сигнал излучается передатчиком спутника и регистрируется приемником пользователя. Значит, в формуле (7.3) следует полагать  = tQ – tE. Но это последнее соотношение справедливо только при условии, что оба момента tQ, tE выражены в одной и той же шкале времени. Реально же излучение сигнала фиксируется по часам, установленным на спутнике, а прием — по часам приемника. Этот, казалось бы, маленький нюанс на самом деле является ключевым, определяя облик системы GPS: ее устройство, методику измерений и их обработки подчинены необходимости взаимных сличений бортовых часов спутников и часов пользователя. С другой стороны, пользователь получает дополнительную информацию о точном времени, что делает GPS не только системой позиционирования, но и координатно-временной системой.

• Однонаправленный радиодальномерный метод, применяемый в GPS — однонаправленный сигнал излучается передатчиком спутника и регистрируется приемником пользователя. Значит, в формуле (7.3) следует полагать  = tQ – tE. Но это последнее соотношение справедливо только при условии, что оба момента tQ, tE выражены в одной и той же шкале времени. Реально же излучение сигнала фиксируется по часам, установленным на спутнике, а прием — по часам приемника. Этот, казалось бы, маленький нюанс на самом деле является ключевым, определяя облик системы GPS: ее устройство, методику измерений и их обработки подчинены необходимости взаимных сличений бортовых часов спутников и часов пользователя. С другой стороны, пользователь получает дополнительную информацию о точном времени, что делает GPS не только системой позиционирования, но и координатно-временной системой.

• Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее, опуская пока детали, связанные с искажающим влиянием внешней среды, и не конкретизируя способ формирования измерительного сигнала. Обозначим через tS показания часов на спутнике в момент излучения им сигнала, а через tR — показания часов приемника в момент приема этого сигнала. Обозначим, далее, через S и R поправки этих часов, которые нужно добавить к их показаниям, чтобы получить время по выбранной эталонной шкале, которую принято называть системной шкалой GPS.
• С учетом этих обозначений формула (7.3) примет вид:

• В этой формуле R есть измеренное расстояние между приемником и спутником, которое называется «псевдодальность». Оно отличается от действительной геометрической дальности р на величину c, обусловленную неучтенным влиянием поправок часов спутника и приемника, которые к моменту измерений неизвестны. Впрочем, для выполнения навигационных и геодезических работ в реальном времени служба управления GPS ведет измерения и прогноз поправок часов каждого спутника. Эти данные, а также прогнозированные параметры орбит спутников, она передает для потребителей вместе с измерительными сигналами. Остается определить поправку часов приемника. Из уравнений (7.2) и (7.4) имеем:

• Это и есть основное уравнение для решения навигационных задач с помощью GPS. В нем — четыре неизвестных: координаты объекта Х0, Y0, Z0 и поправка часов приемника R. Значит, для их определения необходимо составить и решить систему из четырех таких уравнений (i =1,2,3,4), то есть использовать наблюдения минимум четырех спутников.