Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Міністерство освіти і науки

Національний університет “Львівська політехніка”

Курсова робота

з курсу: Теорія інформації та інформаційних систем

На тему: Системи дистанційного позиціонування GPS

Виконав ст. гр. РА-21

Демків Олег

Перевірив:

Гоблик В.В.

Львів 2011

Анотація

В цій роботі йде мова про сучасну систему позиціонування, так звану GPS. В перші частині курсової роботи йде мова про загальні відомості про систему, в другі частині розповідається про історію виникнення цієї системи, третя частина присвячена трьом сегментам GPS, в четверті частині досить докладно розповідається про алгоритм вимірювання відстані від точки вимірювання до супутника, п'ята частина стосується принципу визначення координат, структура сигналу розглядається в шості частині, на GPS впливають багато факторів тому сьома частина тобто остання, розповідає про вплив похибок на систему.

Зміст

Вступ

1. Загальні характеристики

2. Історія виникнення

3. Три сегменти GPS

4. Алгоритм виміру відстані від точки спостереження до супутника

5. Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS

6. Структура сигналу

7. Навігаційне повідомлення GPS-супутника

8. Приймачі супутникових сигналів

9. Основні джерела похибок GPS спостережень

Висновок

Вступ

З давніх давен люди визначали своє місцезнаходження на земній кулі за допомогою сонця, зірок, компаса. Але технічні досягнення другої половини двадцятого століття призвели до того, що геоінформація, яку користувачі отримують в реальному масштабі часу, стала невід'ємною частиною загальної інформатизації суспільства.

1. Загальні характеристики

Як працює GPS

GPS - це абревіатура загальноприйнятої назви глобальної навігаційної системи визначення місця розташування, Global Positioning System. Таких систем, що діють, в світі доки дві - російська ГЛОНАСС і американська Navstar, яку частенько називають просто GPS. Незабаром свою систему глобального позиціювання планує запустити і Європа.

Кожна з таких систем включає угрупування низькоорбітальних навігаційних супутників, наземні засоби стеження і управління і найрізноманітніші приймаючі прилади для визначення координат. Основний принцип системи - визначення місця розташування шляхом виміру відстаней до об'єкту від крапок з відомими координатами - супутників. Відстань обчислюється за часом затримки поширення сигналу посилки від супутника до приймача. Тобто для визначення тривимірних координат приладу потрібно знати положення трьох супутників. На ділі використовуються свідчення з чотирьох - для усунення погрішності, викликаною різницею між годинником супутника і приймача.

На сьогоднішній день повністю функціональною є лише американська система глобального позиціювання Navstar. Вона включає 28 штучних супутників (для повного покриття всієї Землі вистачає 24).

Як система GPS влаштована і працює

Розробки концепції NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) почалися 1973 р. Найсучасніші на той момент радіонавігаційні системи (РНС), наземні LORAN-C і Omega і супутникова (СНС) Transit перестали задовольняти вимогам військових відносно точності, все погодності, цілодобової роботи і зони обхвату. У лютому 1978 р. був запущений перший експериментальний супутник GPS. Про цивільне вживання GPS широко заговорили в 1983 р. після катастрофи південнокорейського авіалайнера, збитого над Курильськими островами. Президент Рейган проголосив, що система GPS повинна стати доступною кожному. Система GPS надає два види послуг: SPS - стандартній точності (для цивільних користувачів) і PPS - високій точності (для військових). При розробці системи, точність SPS в 100 м вважалася достатньою для цивільних цілей. У міру випробувань виявилось, що підсистема SPS точніша, ніж передбачалося. Для збереження переваги високої точності для військових, з березня 1990 р. був введений режим "ограничения доступа" SA (Selective Availability), що штучно знижує точність цивільного GPS.

Бойове хрещення система отримала в ході операції "Буря у пустелі". На той час ще не було запущено досить супутників. Потрібно було маневрувати такими, що є, для забезпечення цілодобового покриття зони бойових дій. Цікаво, що у вересні 1989 р. фірма "MAGELLAN SYSTEMS CORP." Випустила приймач GPS-"NAV-1000M" - для вживання військових цілях, і була вибрана 10 країнами-членами НАТО як постачальник приймачів. Більше 3000 приймачів типа "NAV-1000M" разом з іншими використовувалися США і Силами Коаліції під час війни в Персидській затоці. Сухопутні підрозділи і морська піхота були тоді, в основному, укомплектовані ношеними одноканальними приймачами, аналогічними цивільним, і не здатними приймати сигнали високої точності. Було вирішено відключити на час бойових дій режим SA, що давало можливість користування високою точністю також і противникові.

До середини 1993 р. на орбітах знаходилися вже 24 супутники, досить для безперервної навігації в будь-якій точці Землі. Про остаточне введення системи в експлуатацію оголосили лише в липні 1995 р.

У 1996 р. Президент Клінтон підтвердив, що система, що працює на гроші американських платників податків, і в наступному столітті надаватиме свої послуги цивільним користувачам у всьому світі. Оголошено, що до 2006 р. режим " обмеження доступу " буде усунений. Президент США зберігає за собою право знижувати точність сигналів GPS в разі загрози національній безпеці.

Як приймач GPS визначає своє положення

Система GPS використовує спосіб визначення по дальності до орієнтирів-супутників, визначуваній за допомогою псевдовипадкових кодів. Для цього приймач генерує свій внутрішній код в той же самий час, аби він точно дублював код супутника. Приймач порівнює різницю в часі між прийомом відповідної частини супутникової коди з такою ж частиною свого коду. Знаючи зрушення за часом і швидкість поширення радіохвиль, приймач отримує відстань до супутника, звану псевдодальність, і по двох відстанях може визначити своє точне положення. Чому "псевдо"? Проблема в тому, аби переконатися, що псевдовипадкові коди приймача і супутника згенерували одночасно. З боку супутника тут складності немає. Годинник супутника дуже точний і коректуються по сигналах із Землі. Годинник приймача менш точний, крім того, затримки поширення сигналу в іоносфері, тропосфері і так далі створюють сумарну помилку. Для її виправлення GPS використовує вимір дальності від третього супутника.

При визначенні двомірних координат по двох колах рівних відстаней приймач "не знає", чи знаходиться він насправді на них чи ні. Наприклад, якщо годинник приймача відстає, дійсна позиція буде ближча, але в кожному випадку пропорційно ближче до кожного з супутників. Вводячи лінію положення від 3-го супутника, ми можемо отримати однозначний результат. Приймач GPS має програму, яка бере інформацію для трьох ліній положення і вирішує її алгебра. Ці обчислення дають вирішення трьох рівнянь для трьох невідомих: довготи, широти і помилки годинника. Ось чому для визначення двомірних координат необхідно як мінімум 3 супутники, 4 - для тривимірних.

2. Історія виникнення

Ідея створення супутникової навігації народилася ще в 50-і роки. В той момент, коли СРСР був запущений перший штучний супутник Землі, американські учені на чолі з Ричардом Кершнером, спостерігали сигнал, йдучий від радянського супутника і виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу, що приймається, збільшується при наближенні супутника і зменшується при його віддаленні. Суть відкриття полягала в тому, що якщо точно знати свої координати на Землі, то стає можливим виміряти положення і швидкість супутника, і навпаки, точно знаючи положення супутника, можна визначити власну швидкість і координати.

Реалізована ця ідея була через 20 років. У 1973 році була ініційована програма DNSS, пізніше перейменована в NAVSTAR-GPS і потім в GPS. Перший тестовий супутник виведений на орбіту 14 липня 1974 г США, а останній зі всіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р., таким чином, GPS встала на озброєння. Стало можливим використовувати GPS для точного наведення ракет на нерухомих, а потім і на рухливі об'єкти в повітрі і на землі.

Спочатку GPS - глобальна система позиціювання, розроблялася як чисто військовий проект. Але після того, як в 1983 році був збитий що вторгся в повітряний простір Радянського Союзу літак Корейських Авіаліній з 269 пасажирами на борту, президент США Рональд Рейган вирішив часткове використання системи навігації для цивільних цілей. Щоб уникнути вживання системи для військових потреб точність була зменшена спеціальним алгоритмом. Потім з'явилася інформація про те, що деякі компанії розшифрували алгоритм зменшення точності на частоті L1 і з успіхом компенсують цю складову помилки.

3. Три сегменти GPS

GPS складається з трьох сегментів: управління, космічного та сегменту користувачів. Сегмент управління вбирає в себе з головну станцію контролю та управління, групу контрольних станцій та станцій зв'язку (рис. 1).



Рисунок 1. - Розташування елементів сегменту управління GPS

Сегмент управління

Головна станція контролю та управління знаходиться разом з однією з контрольних станцій на авіабазі "Шривер" (Schriever AFB) поблизу м. Колорадо-Спрингс штат Колорадо. Контрольні станції та станції зв'язку розташовано на атолі Дієго-Гарсіа (Чагос, Індійський океан), на острові Вознесіння (Атлантичний океан), на Гавайських островах, атолі Кваджалейн (Тихий океан), мисі Канаверел (півострів Флорида).

Рис. 2. - Контрольна станція на острові Оаху, Гавайї

Контрольні станції ведуть спостереження за супутниками та здійснюють високоточне визначення відстаней. За цими даними головна станція визначає параметри орбіт, похибки бортових годинників, визначає коефіцієнти моделі іоносфери та формує повідомлення, які станціями зв'язку закладаються на борт супутників.

Рис. 3. - Місця розташування контрольних станцій GPS

У 2005 року систему контрольних станцій розширено за рахунок станцій Національного агентства геопросторової розвідки США (National Geospatial-Intelligence Agency).

Космічний сегмент

Космічний сегмент GPS складається з 28 супутників, розташованих в шести площинах, розвернутих через 60? по довготі верхобіжного кута. Ексцентриситет орбіт становить від 0,02 до 0,001 - орбіти близькі до кругових. Приблизна висота обертання супутників H = 20150 км, період обертання T дорівнює близько 11 годин 58 хвилин. Нахил орбіти i = 55?. Кожні 30 секунд супутник передає навігаційні повідомлення, в яких містяться дані про положення супутника на певний час, дані про якість сигналу, похибку супутникового годинника та коефіцієнти моделі іоносфери.

BLOCK 1

Запуски супутників цього типу відбувалися з лютого 1978 року до жовтня 1985 року (SNR 01-12). Розробником апарату була компанія Rockwell International. Супутники було обладнано одним цезієвим та двома рубідієвими атомними годинниками. Термін життя супутника складав 5 років.

BLOCK 2 та BLOCK 2A

З лютого 1989 року по жовтень 1990 року на орбіту виводили супутники типу BLOCK 2 (SNR 13 - 21). Супутники було обладнано двома цезієвими та двома рубідієвими атомними годинниками. Термін життя цих супутників складав 7,5 років.

Їм на зміну в листопаді 1990 року прийшли супутники BLOCK 2 A. Запуски супутників цього типу тривали до вересня 1996 року (SNR 22 - 40). Кілька з них ще досі працюють на орбіті.

BLOCK 2R та BLOCK 2R-M

З січня 1997 року почалося використання супутників типу BLOCK 2R (SNR 41-61). Супутники обладнано трьома рубідієвими атомними годинниками. Термін життя супутників цього типу складає 10 років. У вересні 2005 року почався запуск супутників типу BLOCK 2R-M, що крім традиційного С/А та Р - коду передають також код L2C.

BLOCK 2F

У 2009 році космічне угрупування GPS почало поповнятися супутниками типу BLOCK 2F, розробки компанії Boeing. Апарати цого типу планується вивести на орбіту до 2012 року. Вони мають забезпечити поступовий перехід до системи GPS 3. Супутники будуть передавати сигнали на ще одні частоті L5.

Сегмент користувачів

Сегмент користувачів складається з GPS- приймачів різних типів. Для високоточних вимірювань в геодезії та геодинаміці використовуються спеціалізовані двохчастотні багатоканальні приймачі, здатні здійснювати як кодові, так і фазові вимірювання в усіх можливих режимах. Для навігації, моніторингу транспортних засобів та широкого кола інших подібних задач застосовуються значно простіші та дешевші приймачі, здатні виконувати вимірювання тільки спостереженням за кодом сигналів.

4. Алгоритм виміру відстані від точки спостереження до супутника

Спробуємо розібратися у загальних рисах, як влаштована система глобального позиціювання, а потім торкнемося ряду призначених для користувача аспектів. Розглядати почнемо з принципу визначення дальності, який лежить в основі роботи космічної навігаційної системи.

Дальнометрія заснована на обчисленні відстані по тимчасовій затримці поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений ним дорогу легко обчислити, просто помноживши час на швидкість світла.

Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1=1575.42 МГц і L2=1227.60 МГц. Потужність передавача складає 50 і 8 Ватів відповідно. Навігаційний сигнал є фазовоманіпульований псевдовипадковий код PRN (Pseudo Random Number code). PRN буває двох типів: перший, C/a-код (Coarse Acquisition code - грубий код) використовується в цивільних приймачах, другий Р-код (Precision code - точний код), використовується у військових цілях, а також, інколи, для вирішення завдань геодезії і картографії. Частота L1 модулюється як С/А, так і Р-кодом, частота L2 існує лише для передачі Р-коді. Окрім описаних, існує ще і y-код, що є зашифрованим Р-кодом (у військовий час система шифровки може мінятися).

Період повторення коди досить великий (наприклад, для p-коді він дорівнює 267 дням). Кожен gps-приймач має власний генератор, що працює на тій же частоті і модулюючий сигнал по тому ж закону, що і генератор супутника. Таким чином, за часом затримки між однаковими ділянками коди, що прийнятої з супутника і згенерував самостійно, можна обчислити час поширення сигналу, а, отже, і відстань до супутника.

Однією з основних технічних складнощів описаного вище методу є синхронізація годинника на супутнику і в приймачі. Навіть мізерна по звичайних мірках погрішність може привести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточний атомний годинник. Зрозуміло, що встановлювати подібну штуку в кожен приймач неможливо. Тому для корекції помилок у визначенні координат із-за погрішностей вмонтованого в приймач годинника використовується деяка надмірність в даних, необхідних для однозначної прив'язки до місцевості (детальніше про це ледве пізніше).

Окрім самих навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різного роду службову інформацію. Приймач отримує, наприклад, ефемериди (точні дані про орбіту супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері (оскільки швидкість світла міняється при проходженні різних шарів атмосфери), а також відомості про працездатності супутника (так званих "альманах", що містить оновлювані кожні 12.5 хвилин зведення про стан і орбіти всіх супутників). Ці дані передаються із швидкістю 50 біт/с на частотах L1 або L2.

5. Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS

навігаційний позиціонування супутник координата

Основою ідеї визначення координат gps-приймача є обчислення відстані від нього до декількох супутників, розташування яких вважається відомим (ці дані містяться в прийнятому з супутника альманаху). У геодезії метод обчислення положення об'єкту по виміру його віддаленості від крапок із заданими координатами називається трилатерацією.

Рис. 4.

Якщо відома відстань А до одного супутника, то координати приймача визначити не можна (він може знаходиться в будь-якій точці сфери радіусом А, описаною довкола супутника). Хай відома віддаленість В приймача від другого супутника. В цьому випадку визначення координат також не представляється можливим - об'єкт знаходиться десь на колі (вона показана синім кольором на рис. 4), яке є пересіченням двох сфер. Відстань З до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох крапок (позначені двома жирними синіми крапками на рис. 4). Це вже досить для однозначного визначення координат - річ у тому, що з двох можливих точок розташування приймача лише одна знаходиться на поверхні Землі (або в безпосередній близькості від неї), а друга помилкова, виявляється або глибоко усередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної навігації досить знати відстані від приймача до трьох супутників.

Проте в житті все не так просто. Приведені вище міркування були зроблені для випадку, коли відстані від точки спостереження до супутників відомі з абсолютною точністю. Зрозуміло, як би не ухитрялися інженери, деяка погрішність завжди має місце (хоч би по вказаній в попередньому розділі неточній синхронізації годинника приймача і супутника, залежності швидкості світла від стану атмосфери і тому подібне). Тому для визначення тривимірних координат приймача притягуються не три, а мінімум чотири супутники.

Отримавши сигнал від чотирьох (або більше) супутників, приймач шукає точку пересічення відповідних сфер. Якщо такої крапки немає, процесор приймача починає методом послідовних наближень коректувати свій годинник до тих пір, поки не доб'ється пересічення всіх сфер в одній крапці.

Слід зазначити, що точність визначення координат пов'язана не лише з прецизійним розрахунком відстані від приймача до супутників, але і з величиною погрішності завдання місця розташування самих супутників. Для контролю орбіт і координат супутників існують чотири наземні станції стеження, системи зв'язку і центр управління, підконтрольні Міністерству Оборони США. Станції стеження постійно ведуть спостереження за всіма супутниками системи і передають дані про їх орбіти в центр управління, де обчислюються уточнені елементи траєкторій і поправки супутникового годинника. Вказані параметри вносяться до альманаху і передаються на супутники, а ті, у свою чергу, посилають цю інформацію всім працюючим приймачам.

Окрім перерахованих, існує ще маса спеціальних систем, що збільшують точність навігації, - наприклад, особливі схеми обробки сигналу знижують помилки від інтерференції (взаємодії прямого супутникового сигналу з відбитим, наприклад, від будівель). Ми не заглиблюватимемося особливо функціонування цих пристроїв, щоб надмірно не ускладнювати текст. Після відміни описаного вище режиму селективного доступу цивільні приймачі "прив'язуються до місцевості" з погрішністю 3-5 метрів (висота визначається з точністю близько 10 метрів). Приведені цифри відповідають одночасному прийому сигналу з 6-8 супутників (більшість сучасних апаратів мають 12-канальний приймач, що дозволяє одночасно обробляти інформацію від 12 супутників).

Якісно зменшити помилку (до декількох сантиметрів) у вимірі координат дозволяє режим так званої диференціальної корекції (DGPS - Differential GPS). Диференціальний режим полягає у використанні двох приймачів - один непорушно знаходиться в крапці з відомими координатами і називається "базовим", а другий, як і раніше, є мобільним. Дані, отримані базовим приймачем, використовуються для корекції інформації, зібраної пересувним апаратом. Корекція може здійснюватися як в режимі реального часу, так і при "оффлайнової" обробці даних, наприклад, на комп'ютері. Зазвичай як базовий використовується професійний приймач, що належить якій-небудь компанії, що спеціалізується на наданні послуг навігації або геодезією, що займається. Наприклад, в лютому 1998 року недалеко від Санкт-Петербурга компанія "НавГеоКом" встановила першу в Росії наземну станцію диференціального GPS. Потужність передавача станції - 100 Ватів (частота 298,5 кГц), що дозволяє користуватися DGPS при видаленні від станції на відстані до 300 км. по морю і до 150 км. по суші. Окрім наземних базових приймачів, для диференціальної корекції gps-даних можна використовувати супутникову систему диференціального сервісу компанії Omnistar. Дані для корекції передаються з декількох геостаціонарних супутників компанії.

Слід зауважити, що основними замовниками диференціальної корекції є геодезичні і топографічні служби - для приватного користувача DGPS не представляє інтересу із-за високої вартості (пакет послуг Omnistar на території Європи коштує більше 1500 доларів в рік) і громіздкості устаткування. Та і навряд чи в повсякденному житті виникають ситуації, коли треба знати свої абсолютні географічні координати з погрішністю 10-30 см.

6. Структура сигналу

Кожен GPS супутник передає радіосигнали на двох частотах: f1=1575.42 МГц і f2=1227.60 МГц, Утворених на основі еталонової частоти f =10.23 МГц. Відповідно довжина хвилі становить л1=19.0 см та л2=24.4 см. Сигнали, які використовуються для цивільних цілей, модулюються двома кодами: C/A і P. «Грубий» C/A-код (цивільний) не закодований і може прийматися всіма GPS-приймачами. «Точний» P-код приймається геодезичними і ГІС приймачами і може бути закодований під час військових дій.

Схема 1. - Схема формування сигналів супутниками GPS

Навігаційний код, що передається на частоті f1,утворюється шляхом складання по модулю 2 далекомірних кодів P та C/A, а також коду службової інформації. Частота синхронізації коду P складає 10.23 МГц, коду С/А - 1.023 МГц.

Сигнал супутника на частоті f1 можна представити у вигляді

Де

- фазовий шум, що виникає внаслідок відхилення стандарту частоти передавача;

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

- амплітуди компонентів сигналу;

- P- та CA-кодові псевдовипадкові послідовності;

- коди даних.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Значення фази для відповідних станів коду сигналу на частоті подано в таблиці 1.

Сигнал супутника на частоті можна представити у вигляді

Де - амплітуда сигналу.

P-код кожного супутника утворюється з двох скорочених псевдошумових кодів та з однаковою тактовою частотою 10.23 МГц, прив'язаних до одного моменту часу, та з довжиною різницею в 37 одиниць. Кожний супутник має власний зсув коду на елементарних одиниць тривалістю Т ? 0,1 мкс. Цикл P-коду в 267 діб розподілено на 38 сегментів по 7 діб. Шість з цих сегментів зарезервовані з експлуатаційною метою і не використовуються. Кожний з наступних 32-х 7-добових сегментів привласнено певному супутнику. Тому кожний супутник має свій, принадний тільки йому, код. Зміна сегментів відбувається на всіх супутниках щотижня в 0 годин з суботи на неділю.

Далекомірний С/А-код формується з двох послідовностей 10-розрядного регістру зсуву та з утворюючими поліномами:

С/А-код створюється за правилом

де - тривалість елементарного символу коду. Код С/А виступає ключем для прискореного входження в синхронізм по коду Р.

Наявність в схемі формування сигналів блоків AS та SA зумовлена військовою спрямованістю системи і є основним обмежуючим фактором при її використанні. Ці блоки забезпечують реалізацію режимів обмеженого доступу (SA) та шифрування (AS). Вимірювання відстаней до супутників по C/A-коду забезпечує точність позиціювання в 10-15 м і застосовується, в основному, для навігації. Приймачі, які виконують вимірювання лише по кодовому модулюючому сигналу, називаються кодовими.

Для підвищення точності позиціювання виконуються вимірювання по фазі несучої частоти. GPS приймачі, які виконують вимірювання по C/A і P кодам і по фазі хвилі L1, називаються фазовими одночастотними. Приймачі, які виконують вимірювання по C/A і P кодам і по фазі несучих частот L1 і L2, називаються фазовими двочастотними GPS приймачами. Двочастотні приймачі є більш точними, тому що вони враховують вплив іоносфери. Фазові одно- і двочастотні приймачі в диференційному режимі забезпечують точність вимірювань до декількох сантиметрів, що є допустимим для задач геодезії. Примітка: з 2004 року для підвищення точності і продуктивності системи GPS вводиться в дію новий цивільний сигнал на частоті L2C.

7. Навігаційне повідомлення GPS-супутника

В системі GPS цифрова інформація у навігаційному радіосигналі з НКА передається рядками, кадрами, кадрами і суперкадрами. У складі кожного кадру передається повний об'єм оперативної цифрової інформації, яка використовується в навігації наземними пристроями для внесення частотно-часових поправок у результати вимірів і інформація про еферміди - для визначення координат і вектора швидкості наземного користувача. Завдяки застосуванню атомних стандартів частоти на супутниках у навігаційні системі забезпечується взаємна синхронізація навігаційних сигналів. Наземний приймач у ході сеансу навігації приймає радіосигнали не менше ніж від чотирьох супутників і використовує їх для вимірювання трьох псевдодальностей і трьох псевдорадіальних швидкостей наземного об'єкта, що рухається, відносно чотирьох або більше супутників.

Таким чином, приймач GPS вирішує систему з чотирьох рівнянь і дає значення широти, довготи, висоти і поправки часу.

Навігаційне повідомлення супутника GPS має обсяг 1500 біт і передається за 30 секунд. Повідомлення складається з п'яти блоків по 10 слів у кожному (Рис. 4). Кожний блок починається зі слова з телеметричною інформацією. Друге слово містить ключ - відмітку часу, за змістом. Кожне слово завершується шести бітовою перевірочною послідовністю.



Рис. 5

Шести бітова послідовність несе інформацію про працездатність супутника: якщо старший біт встановлено в нуль, то всі навігаційні дані є повноцінними, якщо в одиницю - всі або частина даних непридатні.

В таблиці 1 подано характеристики параметрів, що передаються в першому блоці.

Параметри визначають коефіцієнти затримки при розповсюдженні сигналу в іоносфері. - коефіцієнт групової затримки радіосигналу. - час відправки першого блоку, визначений від початку тижня. Тд - термін давнини даних корекції годинника супутника. Параметри визначають поправку годинника супутника:

Таблиця 2. - Інформація в першому блоці

В другому та третьому блоках передається ефемеридна інформація супутника (табл. 3): середня ексцентриситет квадратний корінь з великої напівосі довгота висхідного кута , схилення орбіти, аргумент перигею Всі дані віднесені до моменту часу Також передаються змушене значення середнього руху швидкість зміни висхідного кута та амплітуди синусоїдальної та косинусоїдальної гармонік: впродовж орбіти по боковому схиленню по геоцентричному радіусу .

Таблиця 3. - Дані емфірид в другому та третьому блоках

Дані четвертого блока призначені для американських військових і для інших користувачів GPS недоступні.

В п'ятому блоці передаються дані альманаху. Супутник передає альманах всієї супутникової системи, розміщуючи в п'ятому блоці почергово дані про кожний супутник. Кожне повідомлення містить номер супутника id, дані про його стан Ст., параметри поправки його годинника параметри його орбіти: ексцентриситет , корінь величини великої напівосі середню аномалію довготу висхідного кута , аргумент перигею , відхилення від номінального схилення - віднесені до моменту та швидкість зміни висхідного кута (таблиця 4).

Таблиця 4. - Дані альманаху в п'ятому блоці

Період повтору інформації, що міститься в першому - третьому блоках складає 30 секунд. В п'ятому блоці поступово передаються 25 різних повідомлень альманаху. Загалом навігаційне повідомлення складає - 37500 біт і передається на протязі 12,5 хвилин. Інформація ефемерид, параметрів поправки годинників та моделі іоносфери поновлюється кожні 30 хвилин.

Диференційна корекція

При проходженні радіосигналу від GPS супутника через іоносферу і тропосферу швидкість його розповсюдження зменшується, що призводить до похибки в обчисленні дальності, викликаної затримкою сигналу. Значення цієї похибки важко визначити, але воно приблизно однакове для двох недалеко розташованих одна від іншої точок на земній поверхні. Диференційна корекція - це метод, який значно збільшує точність обробки GPS даних шляхом виключення систематичної складової похибки затримки сигналу. Використання диференційної корекції дозволяє зменшити похибку позиціювання при кодових вимірюваннях до 2-3 м і при фазових вимірюваннях - до декількох міліметрів.

В класичній схемі диференційного методу вимірювань використовуються два приймачі, один з яких розташований в точці з відомими координатами (базова станція), а інший приймач розташовується над точками з координатами, які потрібно знайти (мобільний приймач). GPS приймач базової станції визначає поточні координати (координати, які були виміряні в даний момент часу) і порівнює їх з відомими точними координатами базової станції. Різниці між значеннями поточних і точних координат, взяті з від'ємним знаком, називаються диференційними поправками. Диференційні поправки можуть бути введені до розрахунків координат після вимірювань (режим постобробки), або в реальному часі (режим DGPS - для кодових вимірювань і режим RTK - для фазових вимірювань).

Відміна селективного доступу.

1 травня 2000 року Президент США оголосив про припинення з 0:00 годин 2 травня 2000 року (час Східного побережжя США) дії так званого “селективного доступу” (Selective Availability або S/А) - навмисного “загрублення” сигналів супутників Gps-navstar Міністерством Оборони США, що не дозволяє користувачеві, що не має спеціальних повноважень, визначати своє місце розташування точніше 100 метрів.

Це рішення, а також торішня заява віце-президента США Альберта Гора про введення двох нових “цивільних” сигналів на супутниках, що запускаються в майбутньому, є реалізацією вирішення Президента США, прийнятого в березні 1996 року про розширення використання GPS в цивільних цілях. Відміна дії S/А дозволить у декілька разів поліпшити точність автономного місцезнаходження - за даними Національної Геодезичної Служби США до 20, а можливі до 10 метрів.

Приведені нижче малюнки ілюструють точність GPS при тому, що діє і відключеному S/a.

30 до 14:00 UTC 2 травня цього року (до і після відключення S/А) на одній з CORS станцій, підвідомчих Службі Берегової Охорони США в штаті Теннесі і дані однієї із станцій US Space Command.

S/A ON S/A OFF

Забігаючи вперед, воістину ключовим моментом в історії GPS стало вирішення президента США про відміну з 1 травня 2000 року режиму так званого селективного доступу (SA - selective availability) - погрішність, що штучно вноситься до супутникових сигналів для неточної роботи цивільних gps-пріймачів. З цієї миті любительський термінал може визначати координати з точністю в декілька метрів (раніше погрішність складала десятки метрів)! На рис. 5 представлені помилки в навігації до і після відключення режиму селективного доступу (дані U.s. Space Command).



Рисунок 6. - Помилки в навігації до і після відключення режиму

селективного доступу

8. Приймачі супутникових сигналів

Координати абонента визначається за допомогою стандартного навігаційного GPS - приймача, вбудованого в термінал користувача. Пристрій, як правило, використовує власну мініатюрну антену і автоматично обчислює географічні координати і всесвітній час за навігаційними сигналами. В окремих випадках навігаційна антена зєднюється із зв'язковою антеною абонентського терміналу (наприклад, у системі Inmarsat - C), але прийом навігаційних даних може відбуватись в будь-якому режимі його роботи. До числа основних параметрів навігаційних приймачів відносяться: кількість каналів прийому, швидкість оновлення даних, час обчислень, точність визначення координат і надійність навігаційних визначень.

Сучасні GPS-пристрої оснащені 6-8-канальними приймачами, що дозволяє від слідкувати практично всі навігаційні супутники, що знаходяться в зоні видимості об'єкта. Якщо каналів менше, ніж кількість видимих супутників, автоматично вибирається найбільш оптимальне поєднання КА. Швидкість відновлення навігаційних даних дорівнює 1 секунді.

Час виявлення залежить від числа супутників, що одночасно спостерігаються, і режиму визначення місця розташування.

Через складний рельєф місцевості: при навігації рухомих об'єктів і у великих містах, у вузьких протоках, при перебуванні автомашини на закриті стоянці - різко знижується число видимих КА. У багатоканальних приймачах GPS для компенсації цього ефекту передбачений режим так званого “ пошуку в гаражі ” (якщо такий пристрій не може захопити сигналів навігаційних супутників, то стратегія пошуку змінюється, наприклад, частина каналів переводиться в режим “ холодного старту “, завдяки чому скорочується час визначення координат.

Визначення навігаційних параметрів може бути в двох режимах : 2D (двовимірному) і 3D (просторовому). У режимі 2D встановлюється широта і довгота (висота вважається відомою); для цього досить присутні в зоні радіовидимості трьох супутників. Час визначення координат в двовимірному режимі становить не більше двох хвилин. Для визначення просторових координат абонента в трьовимірному режимі, потрібно, щоб у відповідні зоні знаходилося неменше чотирьох КА. Час виявлення абонента не більше трьох хвилин.

Структурна схема сучасного GPS - приймача зображена на схемі 2.

Схема 2

Прийняті антенною сигнали від НАА надходять на вхід багатоканального приймача, і далі сигнал на частоті fпр подається на вимірювачі навігаційних параметрів (НП) і дешифратори службової інформації (СІ). Вимірювання непостійних значень НП (квазідальності і квазідоплерівської зміни частоти для кожного з чотирьох взятих для роботи НКА здійснюється спостерігаючими вимірюваннями. Для їхнього введення в режим спостереження застосовується спеціальний пошуку сигналу. Одночасно з вимірюванням відбувається і виділення (декодування) службової інформації.

Конструктивно навігаційний приймач сигналів для системи GPS складається з малогабаритної антени з мало шумовим підсилювачем і приймального модуля, в який входить ВЧ-блок, пристрій обробки сигналів і навігаційний процесор.

Приймальний модуль випускається як у вигляді автономного пристрою з вбудованим джерелом живлення, так і у вигляді окремої плати, що вбудовується в абонентський термінал.

Більшість сучасних моделей приймачів GPS мають рідкокристалічні дисплеї, на які виводиться карта та інша графічна інформація (курс, компас, та інше), а також індикація різних показників (миттєва і середня швидкість руху, час у дорозі, пройдена відстань та інші корисні дані).

Координати шляху і маршрут зберігаються в енергонезалежній пам'яті. Портативні пристрої добре пристосовані для транспортування при будь-яких погодних умовах, мають водонепроникний корпус, чохол, пристосування для кріплення (на велосипеді, автомобілі і так далі), виносну антену, кабелі для приєднання до автомобільного джерела живлення та виводу інформації на комп'ютер.

Результати обчислень можуть виводитися разом з електронною картою, як на вбудований дисплей, так і на дисплей портативного ПК або передаватися в диспетчерський пункт радіоканалами супутникових і наземних систем зв'язку для відстеження місця розташування рухомого об'єкта.

9. Основні джерела похибок GPS спостережень

Безліч помилок місця розташування може відбутися через обмеження точності визначення координат у межах 15-25 метрів. Ці помилки перевіряються і компенсуються безліччю способів:

Орбітальні помилки - Іноді положення супутника, про яке повідомляють, не відповідають його фактичної траєкторії. У США, Міністерство оборони безупинно контролює кожен супутник, вносячи орбітальні виправлення.

«Бідна» геометрія - Виникає тоді, коли всі прийняті супутники згруповані близько один до другого, чи вибудувані в лінію щодо положення приймача, що у свою чергу не забезпечує необхідну розбивку сигналу на так званий трикутник, від чого точність обчислення координат стає менш надійною.

Використання сигналів виправлення системи WAAS - широкозонної системи функціонального доповнення (Wide Area Augmentation System) компенсує орбітальні помилки через виникнення «бідних» геометрій.

Багатошляхові сигнали - Сигнали перед тим, як досягти GPS-приймача, можуть бути відбиті від високих чи будинків інших перешкод, тим самим чи збільшується відстань цього чи сигналу ж сигнал попросту збивається, зменшуючи точність.

Приймачі навігації постійно роблять безліч складних математичних обчислень, щоб ефективно компенсувати всілякі потенційні помилки в місці розташування:

Атмосферна затримка - Супутникова навігація сигналізує повільніше, оскільки сигнали проходять через атмосферу Землі. Приймачі навігації обчислюють середню затримку наносекунд, і дають компенсацію.

Помилки годинника - годинник, вбудований в GPS-приймач не настільки точний як атомний годинник на навігаційному супутнику, годинники якого дають погрішність у 1 секунду на кожні мільйон років. Кожен навігаційний приймач автоматично компенсує диференціали часу, порівнюючи сигнали часу з декількох супутників, він відбудовує свій внутрішній годинник, - від чого приймач завжди буде показувати вам самий точний час.

Висновок

У наш час важко устежити за всіма новинками в навігаційних технологіях. Це не може не радувати. Але перешкодою загальнодоступності використання GPS приймачів залишається їх немаленька ціна. Пройде ще багато часу, поки кожен турист в Україні, освоюючи новий маршрут, або відпочивальник, вирушаючи в іншу країну, зможуть вільно користуватися новітніми геодезичними розробками в «мирних», невоєнних цілях.

Размещено на Allbest.ru