GPS - Глобальная Навигационная Система

Еще одним существенным достоинством псевдослучайного кода является то, что он позволяет всем спутникам передавать сигналы на одной частоте, без оказания друг на друга взаимного влияния. Каждый спутник использует свой собственный уникальный код, так что приемнику остается только суметь их различать. Поскольку на всех спутниках установлена передающая аппаратура невысокой мощности, не происходит взаимного подавления сигналов.

Краткие тезисы:

* Псевдослучайный код обеспечивает точное совпадение сигналов спутника и приемника в процессе синхронизации.

* Псевдослучайный код разрешает использовать единую частоту для передачи сигналов всем спутникам системы.

10. Дифференциальная GPS ,это - непревзойденная точность

это - непревзойденная точность.

GPS это - самая точная глобальная навигационная система, из всех систем подобного рода, которые когда-либо предлагались к использованию. Однако, даже невероятную точность GPS можно увеличить, если вспомнить технический прием известный как дифференциальный метод измерения. Использование дифференциального метода в навигационной системе GPS получило название «Дифференциальной GPS». Дифференциальная GPS способна обеспечить позиционирование с точностью, превышающей один метр, что позволяет системе расширить сферу областей своего применения.

GPS для геодезии.

Геодезисты уже в течение ряда лет используют GPS для определения местоположения объектов с точностью до одного сантиметра! Дифференциальная GPS существенно расширяет возможности используемых ими методов. При таких сверхточных измерениях обычно требуется около пятнадцати минут времени на сбор GPS данных при неподвижном приемнике, знание точных координат опорной точки, а также комплекс специальных программных средств для компьютерной обработки результатов.

Используя геодезический GPS приемник, один человек может выполнить за гораздо меньшее время ту же работу, которая при использовании Традиционных методов геодезической съёмки потребовала бы целую бригаду. При этом вовсе не нужно ползать по горам и долам только для того, чтобы «привязать» линию визирования к опорной точке.

Новые «кинематические» системы для геодезических GPS съемок автоматизированы в еще большей степени. Геодезисту достаточно будет подойти к каждой точке, которую он хочет отметить, и нажать на кнопку GPS приемник мгновенно зарегистрирует точные координаты выбранной точки.

Секрет достижения высокой точности заключается в идее установки дополнительного приемника в точке с заранее известными координатами. Действуя, как неподвижная базовая точка, этот приемник (базовая станция) позволит учесть все ошибки в полученных от спутника данных. Базовая станция может транслировать эти поправки на все GPS приемники, расположенные поблизости, а они будут использовать поправки для корректировки результатов позиционирования.

Возможность использования описанного принципа основана на том, что спутники и приемники находятся друг от друга на столь значительных расстояниях, что ошибки измерений сделанные каким-нибудь одним приемником, будут в точности повторятся всеми другими приемниками, расположенными неподалеку. Благодаря GPS сигнала, единственная поправка позволяет корректировать все ошибки системы независимо от их источника бортовые часы спутника, внутренние часы приемника, смешения орбиты спутника, задержки сигнала ионосферой и атмосферой.

Передача сообщений об ошибках с базой станции может производиться в разных формах. Основной формой является следующая:

сообщение об ошибках передастся по каналам телеметрии полевым приемникам, которые используют эти данные для корректировки координат определяемого положения.

Краткие тезисы:

* Измерения при помощи дифференциальной GPS можно выполнить с гораздо большей точностью, чем измерения с помощью методов стандартной GPS.

11. Выбор GPS приемников

В самом недалеком будущем GPS станет одним из самых распространенных бытовых приборов. В тех или иных случаях ее начнут использовать буквально все. Эта система таит с себе колоссальные потенциальные возможности и области ее возможных применений поистине необозримы. Для того чтобы выбрать оборудование, позволяющее решить все, стоящие перед вами задачи, необходимо тщательно проанализировать то, как вы это оборудование предполагаете использовать, какого рода информацию с его помощью получить, и что позволяет вам ваш бюджет.

Прежде, чем принять решение, вам следует обдумать целый ряд вопросов:

* Что вам нужно: фиксировать координаты отдельных точек или с высокой точностью управлять движущимся транспортным средством.

* Нужна ли вам возможность точного измерения скорости (если вы, например, собираетесь проверить на что способна гоночная яхта или оценить работу двигателя)?

* Является ли для вас стоимость прибора более важной характеристикой, чем его точность?

* Какое значение для вас имеет потребляемая приемником мощность?

* Собираетесь ли вы использовать приемник в условиях воздействия им высоких динамических нагрузок, скоростей и ускорений?

При существующем обилии рынке приемников самых разных типов, будет весьма полезно рассмотреть их основные типы, их конструктивные особенности, а также некоторые их достоинства и недостатки.

Все приемники можно разделить на две большие категории, приемники, которые могут непрерывно отслеживать не менее четырех спутников и приемники, которые работают со спутниками, последовательно переключаясь с одного на другой. Внутри каждой из этих двух категорий можно выделить множество групп.

Приемники последовательного действия.

Для определений точных координат положения все без исключения GPS приемники должны получить информацию не менее чем от четырех спутников. Приемники последовательного действия располагают только одним каналом, с помощью которого они получают информацию сначала с одного спутника, затем с другого, третьего и т.д. Обычно приемники такого типа не отличаются высокой сложностью, а, следовательно, и высокой стоимостью. К тому же они потребляют совсем не много энергии. К сожалению, последовательное переключение спутников не всегда может обеспечить непрерывность процесса позиционирования, и ограничивает точность измерений.

В эту группу входят одноканальные приемники с минимальным потреблением энергии, одноканальные приемники, двухканальные приемники и одноканальные приемники с ускоренным переключением канала.

Одноканальные приемники с минимальным потреблением энергии.

Обычно это портативные потому, что они рассчитаны на работу от миниатюрных батареек питания. Чтобы ограничить потребление энергии в таких приемниках позиционирование выполняется один или два раза в минуту, с автоматическим отключением питания в промежутках между измерениями.

Они с успехом могут использоваться для определения местоположения в пеших походах или во время прогулок на небольших судах, не имеющих бортовых источников питания. Их точность обычно выше точности преемников системы LORAN, да и использовать их можно в любой точке земного шара.

Основными недостатками таких приемников являются: невысокая точность, ограниченный интерфейс и невозможность точного измерения скорости. Последний недостаток обусловлен тем, что приемник отключается в промежутках между измерениями, а, следовательно, не обеспечивается непрерывность работы, необходима для вычисления скорости. Кроме того, в этих приемниках используются часы с малым энергопотреблением (отключать часы нельзя, они должны работать постоянно); точность хода таких часов невысока.

Одноканальные приемники.

Также как и в приемниках предыдущей группы, в них используется один канал для измерения дальностей всех спутников. Основным отличием является то, что, поскольку нет ограничений по потреблению энергии, эти приемники могут работать непрерывно.

Это определяет их более высокую точность и возможность измерять скорость (при отсутствии значительных ускорений и или резких изменении курса). Однако, непрерывное позиционирование с помощью таких приемников невозможно, поскольку их единственный канал используется как для сбора информации со спутников, так и для расчета их дальности.

Кроме того, в силу некоторых технических причин, нестабильность хода часов приемника оказывает прямое влияние (снижает) на точность измерений скорости. В некоторых приемниках этого класса для снижения стоимости используются очень дешевые часы, следствием этого являются крайне сомнительные результаты измерений скорости.

Одноканальные приемники с ускоренным переключением канала.

Эти приемники очень похожи на обычные одноканальные приемники, но переключение в них канала с одного спутника на другой производится гораздо быстрее. Преимуществом такого решения является то, что они могут выполнять измерения дальности, и одновременно принимать информационное сообщение, что обеспечивает непрерывность их действия. Кроме того, они менее чувствительны к неточности хода часов.

К сожалению, технические решения, используемые в этих приемниках, приводит к усложнению их электронных схем, что почти уравнивает их стоимость с ценой двухканальных приемников последовательного действия, которые могут работать значительно более гибко и точно.

Двухканальные последовательные приемники.

Второй канал значительно расширяет возможности GPS приемников. Во-первых, соотношение сигнал-шум немедленно возрастает вдвое, а, следовательно, приемник получает возможность уверенного приема сигналов в гораздо более неблагоприятных условиях и отслеживать спутники, расположенные почти у самого горизонта.

Приемники этого класса одновременно с непрерывным приемом по одному из каналов данных для позиционирования по другому каналу ввести захват одного из спутника и подготовка к дальнейшей работе с ним. Следовательно, процесс сбора и обработки навигационных данных в двухканальных приемниках протекает непрерывно, а измерения скорости выполняются с большей точностью. Хорошие двухканальные приемники располагают алгоритмами компьютерной обработки информации, которые позволяют исключить погрешности измерении скорости, возникающие из-за невысокой точности хода встроенных часов.

К недостаткам двухканальных приемников относятся их сравнительно высокая стоимость и относительно более высокое (по сравнению с одноканальными приемниками) потребление энергии. В заключение следует заметить, что использование в конкуренциях современных приемников больших интегральных схем делает ввод исполнительного канала гораздо менее дорогим мероприятием, чем установка в приемнике усовершенствованных часов с повышенной точностью хода.

Естественно, стоимость двухканальных приемников несколько выше стоимости их одноканальных аналогов, что и сдерживает их популярность. Пользователи, готовые заплатить за повышенную точность и возможность вести, непрерывные измерения, (что, как мы видим, двухканальные приемники вполне обеспечивают) обычно имеют к тому же несколько более удобную клавиатуру) и наглядный дисплей.

Приемники непрерывного действия.

Такие приемники могут одновременно отслеживать по четыре и более GPS спутника, а также мгновенно выдавать на дисплеи значения текущих координат и скорости. Они неоценимы в тех областях использования, где требуется очень высокая точность или работа ведется в динамических условиях, и наиболее часто используются при выполнении геодезических и научных измерений. Приемники этой категории имеют 4, 6, 8, и даже 10 или 12 каналов. Помимо того, что многоканальные приемники способны непрерывно определять координаты положения объекта, они, кроме того, позволяют свести к минимуму воздействие геометрического фактора снижения точности (GDOP). Некоторые многоканальные приемники вместо того, чтобы выбирать для измерения четыре геометрически наиболее удачно расположенные спутника, отслеживают все спутники, находящиеся в поле их зрения, что позволяет практически свести к нулю воздействие фактора GDOP.

У четырех канальных приемников коэффициент сигнал/шум вдвое выше, чем у двухканальных, и, следовательно, вчетверо - чем у одноканальных. А сравнение каналов друг с другом позволяет их так откалибровать, что исключают возможность снижения точности вследствие так их явлений, как «перекос канала».

К недостаткам многоканальных приемников можно отнести, пожалуй, лишь их габариты, стоимость и потребляемую мощность.

Другие соображения.

Помимо достоинств и недостатков архитектуры, существует ряд других соображении, которые необходимо принимать во внимание при выборе приемника.

Некоторые приемники новейших систем достигают совершенно беспрецедентной точности, одновременно отслеживая как псевдослучайный код, так и несущую частоту сигнала GPS. Это называется «отслеживанием по несущей». Использование такого метода позволят приемникам с высокой точностью обнаруживать спад фронта псевдослучайного кода. Это обеспечивает более высокую точность измерения временных интервалов, и, в конечном счете, координат положения.

И все-таки, до сих пор еще выпускаются приемники (правда, их единицы), которым перед началом работы необходимо задать их приблизительное положение и приблизительную скорость. В отличие от нормальных, они не способны работать с «холодного старта», иначе говоря - выполнить самостоятельно первое позиционирование «из произвольного положения» сразу после включения питания.

Кроме того, при покупке преемника, следует обращать большое внимание на организацию в выбранной модели пользовательского интерфейса. Встречаются модели, которые не могут выдавать на дисплей ничего, кроме значений широты и долготы. Или такие, использование которых чрезвычайно затрудняет отсутствие возможности подключить их к внешнему оборудованию или к внешнему компьютеру.

И, безусловно, одним из самых серьезных критериев выбора прибора, который вы возьмете с собой в открытое море или в труднодоступную местность, остается его надежность. Важными показателями надежности являются потребляемая мощность и сопутствующий этому, нагрев прибора. Статистика показывает, что при повышении температуры прибора на каждые семь градусов число отказов удваивается.

Сложные современные приемники, используя комплексные методы обработки базовой информации GPS вносят в нее очень много дополнений. Они могут, например, представлять информацию в графическом виде на дисплеях с высокой разрешающей способностью. Или отображать ее непосредственно на карте, заложенной в компьютер.

Итак, совершенно ясно, - хотя все GPS приемники, которые вам может предложить современный рынок, и являются по своей сути процессорами GPS информации, обрабатывают они ее по-разному, и результаты получают при этом совершенно разные. И многие из этих в высшей степени интеллектуальных приборов могут оказать вам в навигации или при определении точного положения объектов в пространстве помощь, несравнимо большую, чем просто сообщить значения широты и долготы.

При покупке приемника руководствуйтесь следующим:

Можно просто и быстро оценить точность работы GPS приемника, понаблюдав, как изменяются показываемые им значения координат положения и нулевой скорости, если приемник остается совершенно неподвижным.

Показания приемников высокого качества будут изменяться лишь совершенно незначительно или совсем не будут изменяться. Показания приемников невысокого качества будут неустойчивыми.

Советуем проявлять бдительность. Некоторые не очень добросовестные производители, списывая недостатки своих систем, программируют свои приборы таким образом, что они всегда показывают НОЛЬ, если скорость падает ниже одного узла.

Словарь терминов GPS

Произвольное положение (Anywhere} - Способность приемника приступить к вычислениям положения без знания приблизительных начальных значении координат положения и времени.

Полоса (диапазон) частот (Bardwith) -интервал значений частот сигнала.

С/А код (С/A Code - Стандартный (Clear/Acquisition «Свободный доступ») GPS код - последовательность из 1023 псевдослучайных двоичных бифазных модуляций несущего GPS сигнала на частоте 1.023 МГц. Другое название -«Гражданский код»

Несущий сигнал - Сигнал, получаемый при модуляции известной опорной частоты.

Отслеживание по несущей (Сarrier-aided tracking) - Способ обработки сигналов, использующий несущий GPS сигнал для обеспечения синхронизации с псевдослучайным кодом. Такой подход даст более точные результаты, чем обычный.

Несущая час гота (Carrier frequency) - Частота немодулированного выходного сигнала радиопередатчика.

Канал (Channel) - Часть схемы GPS приемника, содержащая узлы и блоки, необходимые для приема сигналов одного GPS спутника.

Чип (Chip) - Время передачи единичных битов псевдослучайной последовательности. Кроме того - интегральная схема.

Смещение часов (Clock bias) - Разница между показаниями часов и Реальным Универсальным временем.

Сегмент управления (Control segment) -Всемирная сеть станций контроля и управления GPS, обеспечивающая точность определения положения спутников и хода спутниковых часов.

Срыв цикла (Cycle slip) - Нарушение непрерывности фазы несущего бита, как результат временного нарушения синхронизации блока отслеживания несущей GPS приемника.

Информационное сообщение (Data message) -Сообщение длиной в 1500 бит, включенное в GPS сигнал и несущее информацию о положении, коррекции часов и техническом состоянии спутника. Это сообщение представляет собой настроечную информацию для других спутников GPS созвездия.

Дифференциальное позиционирование (Differential positioning) - Точное определение относительного положения двух приемников, отслеживающих один и тот же GPS сигнал.

Снижение точности (Dilution of Precision) -Мультипликативный коэффициент, влияющий на ошибки измерения расстояний. Природа этого коэффициента определяется исключительно геометрией расположения спутников относительно пользователя. Обозначается как DOP или GDOP.

Доплеровская поправка (Doppler-aiding) - Способ обработки сигнала, использующий измеренное доплеровское смещение для повышения избирательности отслеживания сигналов GPS приемником. Позволяет повысить точность измерения скорости и положения.

Доплеровское смещение (Doppler shift) - Видимое изменение частоты сигнала, вызванное относительным движением передатчика и приемника.

Эфемериды (Ephemeris) - Прогнозы текущего положения спутника, которые передаются пользователю в информационных сообщениях.

Скоростной мультиплексный канал (Fast-multiplexing channel) - Единый канал, опрашивающий несколько спутником. «Скоростной» означает, что время переключения достаточно мало (от 2 до 5 миллисекунд) для восстановления информационного сообщения.

Частотный диапазон (Frequency band) - Полоса (диапазон) частот.

Частотный спектр (Frequency spectrum) - Распределение амплитуд сигнала, как функция частоты.

Геометрическое снижение точности (GDOP) - Смотри снижение точности.

Хвостовое слово (Handover word) - Слово в GPS сообщении, содержащее синхронизирующую информацию для перевода отслеживания с С/А кода в Р. код.

Ионосфера (Ionosphere) - Область заряженных частиц, находящаяся на высоте 80 - 120 миль от поверхности земли.

Ионосферная рефракция (Ionospheric refraction) - Изменения скорости распространения сигнала при его проходе через ионосферу.

L-диапазон (L-band) - Набор радиочастот в пределах от 390 МГц до 1550 МГц Несущие частоты GPS сигналов находятся в L-диапазоне. (L1=1575.42 МГц и L2=i227.6 МГц).

Ошибка многолучевого распространения (Multipаth error) - Оценка, вызванная интерференцией сигнала достигшего антенны преемника двумя или более различными путями, что обычно происходит вследствие преломления или отраженна.

Многоканальный приемник (Multi-channel receiver) - GPS приемник, способный одновременно по нескольким каналам принимать более одного сигнала спутника.

Мультиплексный канал (Multiplexing channel) - Какал GPS приемника, способный последовательно принимать несколько сигналов спутников.

П-код (P-code) - Особо точный или защищенный код. Очень длинная последовательность псевдослучайных, двоичных бифазных модуляций несущего GPS сигнала на частоте 10.23 МГц, которая повторяется каждые 2б7 дней. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из CPS спутников: он восстанавливается каждую неделю.

Точное позиционирование (Precise Positioning Service (FPS)) - Наиболее точное динамическое позиционирование, которое возможно выполнить с помощью системы GPS: основано на двухчастотном Р - коде.

Псевдо маяк или псевдо спутник (Pseudolite) -Расположенный на земле дифференциальный GPS приемник, способный передавать сигнал, аналогичный сигналу настоящего GPS спутника: может быть, использован для измерения расстояния.

Псевдослучайный код (Pseudorandom code) - Сигнал, характеристики которого похожи на характеристики случайного шума: представляет собой смежную комбинацию из повторяющихся «0» и «1»

Псевдодалъность (Pseudorange) - Измерение расстояния, основанное на взаимосвязи переданного спутникам кода и эталонного кода местного приемника, в котором не корректировались ошибки синхронизации часов передатчика и приемника.

Созвездие спутников (Satellite Constellation) - Группа расположенных в пространстве спутников.

Пространственный сегмент (Space segment) - Часть системы GPS, находящаяся в космосе - спутники и средства их доставки на орбиту.

Распределенный спектр (Spread spectrum) - Система, в которой передаваемый сигнал распределен по полосе частот, ширина которой значительно превышает минимальную ширину полосы частот, необходимую для передачи информации. Это достигается посредством модуляции псевдослучайного кода для GPS.

Стандартное позиционирования (Standard positioning service (SPS)) - Точность позиционирования, достаточная для гражданских нужд, обеспечиваемая использованием одночастотного С/А кода.

Статическое позиционирование (Static positioning) - Метод определения положения, при котором антенна приемника считается неподвижной относительно земли. Это позволяет использовать различные методы усреднения, повышающие точность в 1000 раз

Интерфейс пользователя (User interface) - Способ обеспечения доступа пользователя к информации, выдаваемой приемником. Устройства управления и дисплеи.

Пользовательский сегмент (User segment) - Часть всей GPS системы, состоящая из приемников GPS сигналов.

Размещено на Allbest.ru