Информатика и современные компьютерные технологии
 Скачать 348 Kb.
|
|
етод 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. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. 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.
| Тип спутника | GPS-II | GPS-IIA | GPS-IIR | GPS-IIRM | GPS-IIF |
| Масса, кг | 885 | 1500 | 2000 | 2000 | 2170 |
| Срок жизни | 7.5 | 7.5 | 10 | 10 | 15 |
| Бортовое время | Cs | Cs | Rb | Rb | Rb &Cs |
| Межспутниковая связь | Нет | Да | Да | Да | Да |
| Автономная работа, дней | 14 | 180 | 180 | 180 | Более 60 |
| Антирадиационная защита | Нет | Нет | Да | Да | Да |
| Антенна | - | - | Улучшенная | Улучшенная | Улучшенная |
| Возможность настройки на орбите | Слабая | Слабая | Средняя | Сильная | Повышенная |
| Навигационный сигнал | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P L2:P | L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M | L1:C/A+P+M L2:C/A+P+M L5:C |
| Мощность бортового передатчика | Слабая | Слабая | Средняя | Сильная | Повышенная |
В настоящее время сформулированы требования к GPS-III – навигационной системе третьего поколения. Два крупнейших мировых производителей спутников Locheed Martin и Boeing должны предложить свои варианты построения GPS-III.
Первый спутник GPS-III будет запущен в 2012/2013, а новая спутниковая группировка заработает в новом составе к 2017/2018. Согласно текущему прогрессу, первый запуск спутника GPS-III вероятно будет отложен на 2015.
По сравнению с существующей, система GPS-III будет иметь следующие особенности.
ожидаемый срок жизни спутника - 12-18 лет;
стоимость каждого спутника - 100-120 миллион долларов;
запуск двух спутников будет организован одной ракетой;
способность борьбы с возможными помехами будет существенно усилена и интенсивность сигнал возрастет на 20 дБ;
точность местоопределения составит 1 м без организации дополнительных мер, а такой недостаток GPS системы, как уязвимость от внешнего воздействия будет устранен.
Будут добавлены дополнительные услуги связи, приема и передачи сигналов бедствия и поиска объектов.
В настоящее время исследуются достоинства и недостатки двух вариантов построения орбитальной группировки: 6 плоскостей по 4 спутника на каждой и 3 орбитальные плоскости по 7 спутников. Ожидается, что GPS-III прослужит до 2030 г.
Рис. 1. Схема размещения наземных GPS-приемников.
ГЛОНАСС.'>Российская спутниковая навигационная система ГЛОНАСС.
ГЛОНАСС – глобальная спутниковая навигационная система. В ее состав входит орбитальная группировка из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте 19100км. Спутники расположены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных на 1200, в каждой плоскости находиться по 8 НИСЗ, которые удалены друг от друга на 450 по широте. Период спутников 11ч45мин. Такое построение орбитальной группировки позволяет создать оптимальные условия для непрерывного и глобального обеспечения Земли радионавигационными сигналами. Это позволяет пользователю установить свои координаты с ошибкой в 20 метров и скорость с погрешностью 15 см/с.
Эта система прежде всего обеспечивает навигационной информацией различные транспортные средства: эта информация позволяет не только повысить безопасность полета и мореплавания, но и помогает управлять наземным транспортом, повышает оперативность грузоперевозок. Навигационная информация необходима при геодезических работах, составлении земельных кадастров, прокладки коммуникаций. Она необходима геологам при разработке нефтяных и газовых месторождений, в том числе и на прибрежных шельфах, с ее помощью удобно организовывать поисково-спасательные работы.
Система разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ (Космические войска) и имеет статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство обороны РФ и Федеральное космическое агентство.
Высокая устойчивость к помехам делает систему ГЛОНАСС самой надежной системой в мире, заглушить сигналы которой значительно труднее, нежели, например, сигналы GPS. Дело здесь в способе передачи и разделения сигналов. В отличии от американской системы навигации GPS, в которой разделение сигналов происходит по специальным кодам со спутников, но при этом все сигналы передаются на одной частоте. В ГЛОНАСС разделение происходит за счет передачи сигналов на разных частотах.
Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту являются НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по НКА - ПО «Полет» (г. Омск).
Головным разработчиком радиотехнических комплексов (подсистем) является РНИИ КП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определен Российский институт радионавигации и времени (РИРВ). К созданию ГЛОНАСС в последующем были подключены и самостоятельно подключились также другие организации.
В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты на круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью Земли. В настоящий момент эксплуатируются космические аппараты ГЛОНАСС двух модификаций – собственно ГЛОНАСС и спутники модифицированной серии ГЛОНАСС-М. Первый из них был запущен в декабре 2003 года. Обе эти модификации основаны на сходных проектно-конструкторских решениях и на общей космической платформе герметичного исполнения. Использование в бортовых эталонах времени и частоты навигационных космических аппаратов атомных стандартов частоты позволяет обеспечить в системе взаимную синхронизацию навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой.
Новое поколение спутников GLONASS-K также разрабатывается в НПО ПМ. Масса спутника GLONASS-K в 2 раза меньше, чем спутника GLONASS-M, а срок активного существования составит 10 лет.
Спутники GLONASS-К будут передавать 3 сигнала в интересах гражданских потребителей и будут передавать объединенный информационный пакет, который предоставить возможность оказания дополнительных услуг по спасению, поиску и связи в чрезвычайных ситуациях. Всего планируется заказать 27 спутников GLONASS-K. Некоторые сравнительные характеристики спутников ГЛОНАСС представлены в Таблице 2
Таблица 2.
| Тип спутника | GLONASS | GLONASS-M | GLONASS-K |
| Первый запуск | 1982 | 2003 | 2007 |
| Дата вывода из эксплуатации | 2006 | 2013 | 2022 |
| Число сигналов для гражданского использования | 1 | 2 | 3 |
| Масса, кг | 1415 | 1415 | 750 |
| Мощность батарей, Вт | 1000 | 1600 | 1270 |
| Срок активного существования, лет | 3-4.5 | 7.5 | 10-12 |
| Точность местоопределения с вероятностью 95% | 60 м | 30 м | 5-8 м |
Основные изменения свелись, прежде всего, к модификации антенно-фидерного устройства, увеличению проектного срока активного существования до 7 лет и введению второй навигационной частоты для гражданских пользователей. Для запуска этих аппаратов используется ракета-носитель «Протон - К».
Основные принципы работы системы ГЛОНАСС
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:
горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.
Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.
Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
Хронология запуска и приостановки спутников ГЛОНАСС
Европейская система Галилео
Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной СНС «Галилео», опирающейся на свои собственные спутники. Предполагается, что она должна быть:
независимой от GPS, но взаимодействующей с нею;
управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный или частичный контроль над этой системой);
более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы;
рентабельной;
открытой для участия других партнеров, в частности России (в последнее время наше участие в проекте не приветствуется).
Запуск первого КА состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы ожидается в 2008 году. По оценке специалистов, стоимость работ по программе «Галилео» до 2008 года составит $2,5-3 млрд, а ежегодная окупаемость после 2008 года - $150-210 млн.
Архитектура Galileo включает три основных элемента (рис. 2): космический сегмент, наземную инфраструктуру (комплекс управления) и навигационную аппаратуру потребителей.
 |
| Рис. 2. Обобщенная архитектура системы Galileo.  |
Космический сегмент базируется на орбитальной группировке из 30 средневысотных спутников (MEO) и обеспечивает глобальное покрытие территории земного шара. Орбитальная группировка Galileo оптимизирована для обслуживания территорий, находящихся в высоких широтах (наклонение и число орбит будут определены в конце 2001 г.). В состав бортовой аппаратуры КА войдет также ретранслятор сигналов радиомаяков, которые используются для проведения поисково-спасательных работ.
Наземная инфраструктура Galileo включает станции телеметрического контроля и управления орбитальной группировкой, объединенные в единую сеть глобального мониторинга. Информация в такой сети будет обрабатываться со столь высоким быстродействием, что это позволит обнаруживать сбои в работе бортового оборудования КА за время, не превышающее 6 с. Планируется также значительно уменьшить время оперативного оповещения пользователей о сбоях в работе навигационных спутников.
Планируется, что «Галилео» будет передавать один общедоступный сигнал OAS (Open Access Service - служба открытого доступа) и один или два сигнала с контролируемым доступом CAS (Controlled Access Service - служба контролируемого доступа). Сигнал OAS должен быть эквивалентен GPS и обеспечивать точность порядка 10 м. Эта информация останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS. Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений.
В CAS, в свою очередь, возможны два уровня. CAS-1 будет открыт за плату всем желающим, в то время как CAS-2 станет доступен только правительственным потребителям. Предполагается, что система обеспечит определение места с точностью 3-4 м.
Еще о ГЛОНАСС и GPS.
Говоря об нашей и американской навигационных систем можно отметить и следующее:
Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Hоминальное количество спутников в обеих 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 идёт её активное восстановление.
Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость 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). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц 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).
Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно 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 приёмника, либо если он долго не использовался.
Отношение руководства России к системе ГЛОНАСС
Глобальная навигационная спутниковая система столь же важна, как ядерное оружие или стратегические запасы энергоресурсов, считает первый вице-премьер Сергей Иванов. «Наличие у государства современной глобальной навигационной спутниковой системы является примерно таким же фактором политики и экономики, как обладание ядерным оружием или стратегическими запасами энергоресурсов», — сказал Иванов, выступая на заседании военно-промышленной комиссии при правительстве РФ, посвященном проблемам развития ГЛОНАСС.
Иванов отметил, что в связи с этим систему ГЛОНАСС следует считать «важнейшей государственной инфраструктурой». «Скажу больше — применение отечественной навигационной системы в стратегических отраслях народного хозяйства должно стать для нас обязательным, непременным условием»,- сказал первый вице-премьер.
Среди проблем развития ГЛОНАСС Иванов назвал вопросы удобства и доступности услуг спутниковой навигации, поддержание спутниковой группировки навигационной системы, а также отсутствие разветвленной системы образования пользователей ГЛОНАСС.
Первый спутник системы ГЛОНАСС был запущен в 1982 году. Система создавалась в интересах министерства обороны, однако она так и не была пущена в строй. В начале этого века Россия начинает постепенно наращивать количество спутников ГЛОНАСС на орбите. Сейчас ГЛОНАСС включает в себя 11 спутников, к концу текущего года их должно стать 18, и вся территория России будет охвачена этой системой.
К 2009 году на орбите будет работать 24 спутника ГЛОНАСС, и тогда ее услугами можно будет воспользоваться по всему миру.
В настоящее время в составе орбитальной группировки системы ГЛОНАСС насчитывается 21 КА. По данным ЦНИИ машиностроения, из этого числа “13 КА используются по целевому назначению, 3 КА находятся на этапе ввода в систему, 3 КА временно выведены на техобслуживание, 2 КА - на этапе вывода из системы”. Наличие в системе 13 КА обеспечивает усредненную доступность по территории России около 66% при максимальном перерыве в навигации в 2,9 ч.
Указ Президента Российской Федерации от 17 мая 2007 г. N 638 "Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации"
В целях обеспечения массового использования глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации и расширения ее международного сотрудничества постановляю:
1. Установить, что:
доступ к гражданским навигационным сигналам глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС (далее - система ГЛОНАСС) предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений;
для обеспечения безопасности Российской Федерации аппаратура спутниковой навигации, приобретаемая для нужд федеральных органов исполнительной власти и подведомственных им организаций, должна функционировать с использованием сигналов системы ГЛОНАСС.
2. Рекомендовать органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органам местного самоуправления муниципальных образований и организациям независимо от их организационно-правовой формы применять аппаратуру спутниковой навигации, функционирующую с использованием сигналов системы ГЛОНАСС.
3. Возложить на Федеральное космическое агентство функции координатора работ по поддержанию, развитию и использованию системы ГЛОНАСС в интересах гражданских, в том числе коммерческих, потребителей и для расширения международного сотрудничества Российской Федерации.
4. Правительству Российской Федерации:
до 31 декабря 2007 г. определить полномочия федеральных органов исполнительной власти в части, касающейся поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны страны и безопасности государства, социально-экономического развития Российской Федерации, расширения ее международного сотрудничества, а также в научных целях;
в 3-месячный срок определить порядок и условия использования информационных ресурсов, необходимых для создания детальных цифровых навигационных карт для гражданских потребителей;
до 31 декабря 2011 г. утвердить федеральную целевую программу по поддержанию, развитию и использованию системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы.
5. Настоящий Указ вступает в силу со дня его подписания.
Президент Российской Федерации В.В. Путин
Заключение
В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы GPS, GLONASS и GALILEO. Практически во всех странах в настоящее время широко используется только GPS, нормальное функционирование которой целиком зависит от правительства США. В некоторых областях, как например диспетчеризация полетов самолетов, использование GPS является неотъемлемой важнейшей составной частью инфраструктуры.
В то же время навигационные системы в ближайшем будущем составят неотъемлемую часть инфраструктуры государства и напрямую будут влиять не только на безопасность, но и на развитие промышленного производства в целом.
Ни одно государство не может и не хочет в своем развитии зависеть в какой либо области от другого, хотя и дружественного в данный момент, государства. Поэтому поиск альтернативы GPS и привел к созданию GALILEO и присоединению к ней многих развитых государств. Преимущества, которые появляются от присоединения к альтернативной навигационной системе на этапе ее развития следующие:
диверсификация рисков, связанных с работой GNSS, посредством диверсификации инфраструктуры земного сегмента и используемого оборудования;
создание новых рабочих мест при условии разработки и экспорта нового оборудования для GNSS;
возможность заблаговременного внедрения технологических преимуществ использования GNSS в системы связи, транспорта и развитие новых технологий.
Библиографический список
www.bankreferatov.ru
www.iglonass.ru
www.gpsportal.ru
http://www.citforum.ru/hardware/articles/gps_glonass/
http://atm563.phys.msu.ru/rus/sattomo.htm
http://www.tranklukator.ru/