Анализ российского рынка навигационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Спутниковая система навигации -- комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Космические навигационные системы I поколения

Впервые предложение по использованию спутников для навигации было сделано проф. В.С. Шебшаевичем в 1957г. Эта возможность была открыта им при исследовании приложений радиоастрономических методов в самолетовождении. После этого в целом ряде советских институтов были проведены исследования, посвященные вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий. Данные исследования были использованы в 1963г. при опытно-конструкторских работах над первой отечественной низкоорбитальной системой "Цикада". В 1967г. был выведен на орбиту первый навигационный отечественный спутник "Космос-192". Навигационный спутник обеспечивал непрерывное излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 МГц в течение всего времени активного существования.

Система "Цикада" была сдана в эксплуатацию в составе четырех спутников в 1979 г. Навигационные спутники были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км с наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Система "Цикада" позволяла потребителю в среднем через каждые 1.5 - 2 часа входить в радиоконтакт с одним из спутников и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5-6 мин. Навигационная система "Цикада" использовала беззапросные измерения дальности от потребителя до навигационных спутников. Наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной навигационной аппаратуры, серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Космические навигационные системы II поколения

В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями. Эти сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.). Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-канадской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная навигационная спутниковая система второго поколения должна была обеспечить потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Была выбрана структура спутниковой системы: высота орбиты навигационных спутников составила 20 тыс. км, их количество в системе должно составлять 24. Были решены две проблемы создания высокоорбитальной навигационной системы. Первая проблема - взаимная синхронизация спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд). Эта проблема была решена с помощью установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 10-13 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 10-14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3-5 нс. Второй проблемой является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Данная проблема была решена с помощью проведения работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов и т.п.

Космические навигационные системы III поколения

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника "Космос-1413". Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 г.

В 1995 г. развернута орбитальная группировка полного состава (24 спутника) и начата штатная эксплуатация. Система позволяет обеспечить непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения.

Сокращение финансирования космической отрасли в 1990-х гг. привело к деградации орбитальной группировки ГЛОНАСС, снижению ее выходного эффекта.

В целях сохранения и развития системы Президентом и Правительством РФ утвержден ряд директивных документов, основным из которых является федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система". Она предусматривает создание глобального навигационного поля для определения координат объектов с высокой степенью точности и достоверности, внедрение спутниковых навигационных технологий в информационные контуры управления движением, повышение уровня безопасности в дорожно-транспортном комплексе страны, значительное снижение эксплуатационных расходов, отказ в перспективе от использования традиционных наземных навигационных радиотехнических средств.

1. Источники погрешностей навигационных измерений спутниковых навигационных систем

Погрешность спутниковых измерений.

Источники возникновения дальномерной погрешности можно разделить на три группы по их происхождению:

· вносимые контрольно-измерительным комплексом;

· вносимые оборудованием навигационного спутника;

· возникающие на трассе распространения сигнала;

· вносимые приёмником

Влияние атмосферы. К числу основных источников погрешностей спутниковых измерений относится неточное знание скорости радиосигнала на пути от спутника к приемнику. Наибольшее влияние на эту скорость оказывает состояние ионосферы - верхних слоев атмосферы, где газ содержит большое число свободных электронов и положительных ионов. Ионизация происходит в основном за счет энергии Солнца. Ионосфера окружает Землю в виде ионизированных слоев, расположенных на высотах от 60-90 до 500-1000 км. навигационный электронный глонасс

В ионизированной среде показатель преломления для радиодиапазонов, используемых в системах GPS и ГЛОНАСС, зависит от частоты. При этом скорость распространения колебаний одной частоты (фазовая скорость) отличается от скорости распространения результирующей энергии колебаний нескольких близких частот (групповая скорость). Поэтому результаты фазовых и кодовых измерений искажаются различно.

Ионосферные ошибки кодовых измерений уменьшают комбинированием результатов измерений на двух частотах, а в одночастотных приемниках введением поправок. Ионосферные ошибки фазовых измерений ослабляют, применяя метод относительных определений. Результаты одновременных фазовых измерений в двух пунктах сигнала одного и того же спутника содержат практически одинаковые погрешности, вызванные влиянием ионосферы. Поэтому разность результатов таких измерений от них практически свободна.

На распространение сигнала влияет также тропосферная рефракция, под которой понимают задержку радиосигналов в нейтральных слоях атмосферы стратосфере и тропосфере, где показатель преломления радиоволн с частотами до 15 ГГц от частоты радиосигнала не зависит и потому одинаков для обеих несущих частот L1, L2 и кодовых сигналов.

В нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, на скорость распространения радиоволн сильное влияние оказывают метеоусловия. Установлено, что наибольшие искажения сигнала имеют спутники, расположенные на высотах над горизонтом менее 10°. Поэтому такие спутники не включают в измерения (см. рисунок ниже).

Определение наличия видимости спутников

Многопутность. В ряде случаев спутниковым приемником, кроме полезного прямого сигнала, могут быть приняты сигналы, отраженные земной поверхностью или близлежащими объектами (например, зданиями), а также сигналы, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы. Многопутность приводит к искажению дальностей. Меры по исключению влияния многопутности:

установка антенны в местах, где отсутствуют отражающие поверхности;

использование антенн, на которых установлены экраны, отсекающие отраженные от земной поверхности лучи.

Одним из факторов, ухудшающих результаты спутниковых измерений, могут также стать помехи от близко расположенных мощных источников радиоизлучений: локаторов, теле- и радиопередающих станций и т. п.

Важнейшей характеристикой качества спутниковых измерений является геометрический фактор DOP (Delution of Precision -- понижение точности), характеризующий потери точности из-за геометрии засечки, т. е. расположения наблюдаемых спутников. Установлено, что точность определений тем выше, чем больше объем треугольной пирамиды, в вершинах которой располагаются спутники. Поскольку параметры орбит спутников точно известны, можно заранее определить время, когда геометрия спутников будет наилучшей для измерений. Поэтому спутниковым наблюдениям всегда предшествует очень важный этап планирования работ. В измерения включают все видимые в данный момент спутники, максимальное число которых может достигать 12--13 и больше 15 при использовании аппаратуры, принимающей дополнительно сигналы ГЛОНАСС.

На практике используют модифицированные понятия DOP:

показатель PDOP, учитывающий понижение точности трехмерного позиционирования без учета погрешности определения времени;

наиболее универсальный показатель GDOP, учитывающий понижение точности с учетом погрешности определения времени

другие.

На основе информации о расположении спутников на соответствующий момент времени и приближенных координат пункта наблюдений можно до начала полевых спутниковых измерений построить график изменения геометрического фактора во времени (см. рисунок ниже). По такому графику можно выделить неблагоприятные периоды для спутниковых наблюдений на пункте. На основе графика составляют программу наблюдений на пунктах на конкретные дни, которая в процессе работы уточняется по мере получения новых данных об эфемеридах спутников.

Геометрический фактор

2. Анализ российского рынка навигационных систем

Системы GPS и ГЛОНАСС

Космический сектор GPS образован 24-мя действующими спутниками и тремя резервными. Спутники распределены по шести орбитам так, чтобы над каждой точкой земной поверхности постоянно находилось созвездие по крайней мере из пяти КА. Угол между плоскостями орбит составляет 60°.

Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12-го октября 1982 г. 24-го сентября 1993 г. система была официально принята в эксплуатацию. В 1995 г. спутниковая группировка составила 24 аппарата.

Впоследствии из-за недостаточного финансирования число работающих спутников сократилось.

Второй виток развития ГЛОНАСС получила в августе 2001 г., когда была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось обеспечить уже в начале 2008 г., а глобальных масштабов система должна была достичь к началу 2010 г. Однако в конце марта 2008 г. совет главных конструкторов несколько скорректировал сроки развертывания космического сегмента ГЛОНАСС.

По официальным источникам, в настоящее время на орбиту выведено 17 КА, причем все они исправно функционируют (по состоянию на 14.12.08 г.). Космический сегмент ГЛОНАСС должен содержать всего 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли и равномерно распределенных в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120°.

Орбитальные плоскости GPS

Три орбитальные плоскости ГЛОНАСС

В отличие от системы GPS, спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Что касается сегмента управления, то станции GPS расположены по всему миру, в то время как станции слежения ГЛОНАСС находятся только на территории России. Поскольку ГЛОНАСС -- стратегическая система, то независимость от других стран играет особую роль.

Потребительское оборудование ГЛОНАСС разработано только для специальных применений и, в отличие от приемников GPS, пока не доступно для индивидуального пользования. Однако сейчас полным ходом идет разработка коммерческих совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS.

Зачем нужна ГЛОНАСС?

Этот вопрос, наверняка, интересует многих. Действительно, уже продаются недорогие навигаторы GPS, которые работают, казалось бы, лучше ГЛОНАСС-приемников. Однако не все так просто, давайте посмотрим на это с другой стороны…

Во-первых, из соображений безопасности Россия должна иметь свою независимую систему навигации, поскольку система GPS в случае конфликта с США может быть отключена на территории нашей страны в любое время. Учитывая важность навигации, этого нельзя допускать. Таким образом, система ГЛОНАСС более надежна и, к тому же, независима от других стран, поскольку станции слежения располагаются только на территории России.

Во-вторых, по официальным заявлениям правительства РФ, пользование системой будет бесплатным для всех потребителей, а данные со спутников не будут специально загрубляться, как это происходит в GPS, что исключит случайные сбои у потребителя и повысит точность определения координат.

В-третьих, система ГЛОНАСС по сравнению с GPS эффективнее работает в полярных широтах, поэтому она востребована как в северных странах (от Канады до Финляндии), так и в южных (Австралия, Перу, Аргентина и др.).

В-четвертых, по мнению российских и зарубежных специалистов, ГЛОНАСС работает быстрее и точнее GPS в среде с повышенной затененностью, т.е. вблизи многоэтажных зданий.

Тем не менее самое удачное с точки зрения потребителя решение -- совмещенные приемники ГЛОНАСС/GPS, поскольку они сочетают достоинства обеих систем. К тому же количество видимых спутников увеличивается, поэтому координаты определяются более достоверно.

В связи с незаконченностью космического сегмента приемников, принимающих только сигналы ГЛОНАСС, нет. Разрабатываются сразу двухсистемные приемники.

В настоящее время на орбиту выведено 17 спутников. Постепенно начинается вывод спутников второго поколения ГЛОНАСС-М, срок службы которых составляет семь лет (срок службы КА первого поколения всего три года).

По данным пресс-службы Роскосмоса, 25-го декабря 2008 г. планируется вывод еще трех спутников типа ГЛОНАСС-М. Этого вполне достаточно, чтобы охватить полностью территорию России. По планам, в 2009 г. будет обеспечено стабильное покрытие всей поверхности Земли.

Текущее состояние группировки можно посмотреть по адресу www.glonass-ianc.rsa.ru/, где приведена исчерпывающая информация о спутниках.

Развитие ГЛОНАСС

Российская система ГЛОНАСС не закончена и будет продолжать развиваться. Естественно, при условии достаточной государственной поддержки. По официальным заявлениям, правительство настроено на развитие навигационной отрасли. Тем более, что это гарантия безопасности и защищенности России.

Как мы говорили, любая навигационная система состоит из трех сегментов. В настоящее время доработка требуется на всех уровнях ГЛОНАСС. Так, для полноты группировки необходимо вывести на орбиту еще по крайней мере семь спутников (не считая резервных).

Остановимся на основных проблемах, которые наиболее остро стоят перед разработчиками НАП. Самая важная часть приемника ГЛОНАСС/GPS -- это приемный модуль, поэтому к нему предъявляются наиболее жесткие требования. Вероятно, будущие разработки будут лишены следующих недостатков.

1. Высокое энергопотребление. Мощность потребления большинства представленных на рынке приемных OEM-модулей составляет порядка 0,9…1 Вт. Для портативной техники это весьма высокий показатель, что ограничивает применение модулей в мобильных устройствах. Для сравнения, потребление GPS-модулей на порядок ниже (50…100 мВт). Работы в этом направлении ведутся. Так, встраиваемый модуль ГАЛС-П потребляет всего 0,65 Вт (ФГУП НИИМА «Прогресс»). Однако этого недостаточно. Для существенного снижения потребляемой мощности необходим переход на проектные нормы 0,09…0,13 мкм. К сожалению, такой технологии ни на одном предприятии в России нет.

2. Высокая стоимость. В настоящее время выпускается всего несколько тысяч OEM-модулей в год. Естественно, увеличение объемов производства позволило бы снизить стоимость устройств. Однако в России нет таких мощностей, как нет и программы развития НАП. Отдельным предприятиям не хватает инвестиций, чтобы наладить массовый выпуск продукции. С другой стороны, инвесторы не торопятся вкладывать в проект, который окупится лишь через несколько лет. Таким образом, необходим госзаказ или другие способы поддержания отрасли.

С другой стороны, двухсистемные модули ГЛОНАСС/GPS сами по себе технически более сложные, чем односистемные. Именно поэтому они дороже, но вместе с тем и надежнее.

3. Большие габариты приемников. Это исключает возможность использования существующих разработок в портативной технике, существенно сужая тем самым область применения модулей. Однако с переходом на новый технологический базис (см. п. 1) эта проблема разрешится.

Помимо перечисленных проблем существует множество других, в т. ч. обеспечение ПО, составление карт и т.д.

Навигация -- неотъемлемая часть жизнедеятельности человека. Недаром эта наука развивается с древнейших времен. Конечно, методы определения координат и поставленные цели меняются, однако навигация не утрачивает, а наоборот, приобретает все большую важность.

Навигационное оборудование используется везде, где необходимо получить координаты объекта быстро и точно. В первую очередь речь идет о следующих службах и сферах применения:

* военные ведомства, спецслужбы;

* МВД (системы измерения скорости, мониторинг дежурных и оперативных машин);

* МЧС;

* аварийные службы;

* разработка карьеров (добыча открытым способом);

* транспорт (железнодорожный, морской, общественный) -- для навигации и мониторинга;

* авиация (вертолеты, самолеты, беспилотные аппараты);

* картография (кадастровые службы);

* топография (составление карт местности);

* системы безопасности;

* строительные компании.

Следует заметить, что во всех сферах применения используется разное потребительское оборудование, поскольку навигационные задачи значительно различаются по сложности. Это может быть как простое ориентирование на местности, так и оперативное управление войсками.

Российские и зарубежные производители

В связи с появлением новых навигационных систем (ГЛОНАСС, Galileo) производители стремятся расширить функциональность НАП. Так, многие зарубежные компании включают в ОЕМ-модули поддержку ГЛОНАСС.

В едином государственном перечне предприятий-участников российского рынка спутниковой навигации перечислено около ста компаний. Это и производители НАП, и поставщики ПО, и дистрибьюторы, занимающиеся продвижением совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS на российском рынке.

Крупнейшими российскими производителями НАП в России являются следующие компании: ФГУП «НИИ КП» (Институт космического приборостроения), ФГУП «РНИИ КП» (Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения), ОАО «Ижевский радиозавод» (ИРЗ), РИРВ (Российский институт радионавигации и времени), ЗАО «КБ НАВИС» (Конструкторское бюро навигационных систем), ФГУП НИИМА «Прогресс», ОАО «МКБ Компас» и др.

Помимо военных модулей, перечисленные компании уже имеют собственные встраиваемые коммерческие модули ГЛОНАСС, либо работают над их созданием.

Среди зарубежных производителей можно выделить компании Trimble, Javad, Novatel, Leica, Topcon, 3S Navigation, Ashtech, JPS, Sokkia и Spectra Precision. Это лидеры на рынке GPS-устройств, приступившие к изготовлению совмещенных приемных модулей.

Российский рынок НАП

Рынок навигационной аппаратуры пользователей в России только формируется. Это связано как с незаконченностью космического сегмента ГЛОНАСС, так и с отсутствием конкретной государственной программы развития отрасли и организации производства.

Тем не менее существует несколько оценок потенциальной емкости рынка.

По оценкам зарубежных компаний, реальный спрос на навигаторы в России составляет 100 тыс. шт. в год. Это, в первую очередь, автомобильные навигаторы (стабильный, серийный продукт). Однако в этом случае не учитываются потребности муниципального транспорта, спецслужб, аварийных служб, МВД, МЧС и т.д.

Более правдоподобной кажется оценка в несколько миллионов штук в год.

Исследования показывают, что ежегодно на мировом рынке продается около 30 млн. автомобильных и портативных GPS-навигаторов.

В Европе и в России стабильный прирост рынка составляет 20…30% в год. По меньшей мере, ближайшие 5--7 лет темп роста сохранится. Однако эти оценки весьма условны, поскольку они основаны на данных по рынку GPS-систем.

Тестирование российских разработок

На всероссийской конференции «Встраиваемые системы», которая проходила 4-го декабря в Москве, было проведено открытое тестирование совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS ведущих российских производителей.

Отраслевой и деловой общественности были показаны реальные возможности российских разработчиков приемников ГЛОНАСС/GPS, представлены ведущие компании и их разработки, а также продемонстрирована работа приемных ОЕМ-модулей ГЛОНАСС/GPS.

В проекте приняли участие ведущие производители встраиваемых навигационных модулей: Российский институт радионавигации и времени, ЗАО «КБ НАВИС», ФГУП НИИМА «Прогресс» и SPIRIT. Для сравнения в испытаниях принимал участие и односистемный GPS-приемник фирмы Trimble.

Тестирование прошло успешно. Все представленные модели работали стабильно в течение всего дня, несмотря на изменения в созвездии видимых спутников ГЛОНАСС.

В следующем номере «Встраиваемых систем» мы подробно опишем ход и результаты тестирования, а также расскажем об участниках проекта.

Заключение

Рынок ГЛОНАСС в России только начинает формироваться. Однако уже сейчас понятно, что это очень важная и перспективная составляющая экономики. Спрос на навигационные устройства, поддерживающие ГЛОНАСС, набирает обороты, причем как в России, так и за рубежом.

Несмотря на все проблемы, которые пока только предстоит решить, российским производителям уже есть что показать. Системой ГЛОНАСС уже пользуются спецслужбы и военные. Началось производство коммерческих устройств. Однако без поддержки государства невозможно удовлетворить потребность рынка в навигационном оборудовании. Необходимо наладить массовый выпуск продукции, после чего можно будет надеяться на возрождение промышленного сектора в России.

Список используемой литературы

1.Яценков В. С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС.

2. Ярошенко Сергей IT News, #03/2006.

3. Самков Иван «Современная электроника», №8/2008.

4. Модули навигационных приёмников: проблемы и перспективы. Chip news №4, 2008.

5. www.radioscanner.ru/info/article97/.

6. cadastre.ru

7.http://www.elektropribor.spb.ru/

Размещено на Allbest.ru