Лекция 7 спътникови навигационни системи navstar gps е спътникова система за определяне на местоположението във всяка точка на Земята

СПЪТНИКОВИ НАВИГАЦИОННИ СИСТЕМИ

1.NAVSTAR

Системата се състои от минимум 24 спътника, разположени в 6 орбити на височина около 20000 километра и наземен контролен център с наблюдателни станции, разположени в различни точки на Земята. Принципът на действие се базира на измерването на разстоянието от мястото, чиито координати търсим, до група спътници, чиито координати са точно определени и известни. Разстоянието се пресмята на базата на времето за разпространение на радиосигнала от спътника до потребителя.

Глобалната система за позициониране е проектирана и контролирана от Министерството на отбраната на САЩ. Тя може да бъде използвана безплатно от всеки.

Поддръжката на системата струва около 400 млн. долара (USD) годишно, включително разходите по подмяна на остаряващите спътници. Първият от 24-те спътника, които формират сегашната GPS-групировка (Block II), е изведен в орбита на 14 февруари 1989 г. Последният изстрелян до момента спътник е 52-ри по ред от създаването на системата през 1978 г. и е изведен в орбита на 6 ноември 2004 с помощта на ракетата „Delta II“.

Структура

Космически сегмент

GPS-сателит

Космическият сегмент се състои от групировка от минимум 24 оперативни GPS-спътника, разположени в 6 геоцентрични орбитални равнини, съдържащи по 4 спътника с наклон на орбитата спрямо екватора под ъгъл 55°. Спътниците са разположени така, че във всеки момент и във всяка точка на Земята да се виждат най-малко 4 от тях. Всеки спътник има на борда 4 атомни часовника и извършва една пълна обиколка на своята орбита за 11 часа и 58 минути (половин звезден ден).

GPS-спътниците излъчват сигнал на две носещи честоти: L1 (1575,42 MHz) и L2 (1227,60 MHz), които са кратни на стандартната честота (10,23 MHz) на атомните часовници на борда и са модулирани с C/A- („coarse acquisition“) и P- („precise“) кодове. Целта на използването на две честоти е елиминирането на грешката, получена от закъснението на сигнала при преминаването му през йоносферата. От тези честоти и кодове единствено L1- и C/A-код са достъпни за цивилните потребители, останалите са запазени за военни цели.

Съществуват 3 категории GPS-спътници:

• 
  Блок I: извеждани в орбита между 1978 и 1985. Този тип спътници имат продължителност на живота около 4,5 години и в момента са неактивни. Основната разлика между тях и другите версии е, че спътниците от този тип нямат възможност да деградират сигнала.
  
• 
  Блок II и IIa: извеждани в орбита след 1985 и имат продължителност на живота около 7,5 години. Спътниците от този тип имат възможност да деградират сигнала.
  
• 
  Блок IIr: извеждани в орбита след 1996 и имат продължителност на живота около 10 години. В спътниците от този тип е добавена възможност за комуникация между тях.
  

Контролен сегмент

GPS-приемниците имат различни форми и могат да бъдат интегрирани в коли, телефони или часовници.

Потребителски сегмент

В момента съществува голямо разнообразие от GPS-приемници, които се различават по много показатели, като точност, форма, приложение, цена и т.н. GPS-приемници се използват главно за навигация в пътния, морския и авиационния транспорт, в селското стопанство, както и за точно определяне на времето и синхронизация в някои области на индустрията. Модели на сравнително евтини приемници, които се съчетават с компютри, PDA или други устройства, са достъпни за потребителите и могат да бъдат използвани за навигация на автомобили, при спортни състезания, планински преходи и дори за водачи на слепи хора.

Принцип на действие

Определяне на разстоянието до приемника

където R е изчисленото разстояние до спътника, t_r и t_e са съответно времето на приемане и излъчване на сигнала, а c е скоростта на светлината.

Поради няколко причини, разстоянието изчислено в приемника съдържа грешки и не представлява реалната стойност. Това разстояние се нарича псевдорейндж и именно то се използва за определяне на позицията.

За да се изчисли времевия интервал за разпространение на радиосигнала от спътника до потребителя, приемникът и спътникът генерират еднакъв код, синхронизиран по време. Тъй като GPS-спътниците изпращат известен, повтарящ се 1023-битов, псевдо-случаен код, приемниците са способни да генерират същия този код. В този случай, измерването на времето за пътуване на сигнала се свежда до измерване на закъснението на приетия код спрямо генерирания в приемника.

Точността на направеното измерване зависи основно от стабилността на бордовия еталон на честота. Приемниците и спътниците се нуждаят от изключително точни часовници, за да могат да генерират синхронизирани сигнали. Затова като основен елемент на спътниковата навигационна апаратура се използва генератор на честота с много голяма стабилност, реализиран с атомен часовник. Поради високата им цена обаче, в приемниците се използват по-евтини, но и по-неточни кварцови часовници. Ако часовниците на приемника и спътника бяха идеално синхронизирани, то всички сфери с център — позициите на спътниците и радиус — разстоянията до тях щяха да се пресичат в една точка, която е и търсената позиция. При непрецизни часовници, тези сфери не се пресичат в една и съща точка, поради грешката в определянето на радиусите им.

Определяне на положението на спътниците

Определяне на положението на приемника

При използване на този метод за определяне на положението на приемник в тримерното пространство, при четири неизвестни са необходими най-малко четири GPS-спътника. Използването на повече от четири допринася за по-голяма точност на позицията.

В математически вид навигационното уравнение се извежда от геометричното разстояние до спътниците, имайки предвид грешката в приемника, и се свежда до следния израз:

където ρ е измереното разстояние до спътник i

В това уравнение има четири неизвестни, които могат да се намерят като се състави система от уравнения с използването на четири или повече спътника. Тъй като тази система е сложна за решаване, поради факта, че съдържа квадратни уравнения с няколко неизвестни, то тя трябва да се линеаризира около точка, която е най-добре да бъде позицията на приемника. Тази техника позволява лесното решаване на навигационното уравнение и намирането на положението на приемника.

Технически характеристики на сигнала

• 
  честота L1 = 1575,42MHz и
  
• 
  честота L2 = 1227,60 MHz.
  

GPS-сигналът се състои от:

• 
  два основни носещи сигнала;
  
• 
  псевдослучайни рейнджинг-кодове, с които са модулирани основните носещи честоти;
  
• 
  навигационно съобщение;
  

Носещи сигнали

• 
  L1 (1575,42MHz): Основна честота за GPS, използвана за носеща честота на сигналите, кодирани с цивилен код
  
• 
  L2 (1227,60MHz): Използвана за кодиране на сигнала с военен код
  
• 
  L3 (1381,05MHz): Носеща честота на сигнали, използвани от Министерството на отбраната на САЩ за откриване на атомни детонации, изстрелване на ракети и други високо енергийни, инфрачервени събития.
  
• 
  L4 (1841.40MHz): Проучвана за допълнителни корекции на грешките в йоносферата
  
• 
  L5 (1176.45MHz): Предвидена за бъдещо цивилно използване
  

Всички сигнали, генерирани от GPS-спътниците, се получават като кратни на основната честота на атомните часовници на борда им. Спътниците от Block II/IIA са екипирани с два цезиеви и два рубидиеви часовника, които генерират синусоидален сигнал с основна честота f₀ = 10,23MHz.

За да компенсира релативистичните ефекти, изходната честота, генерирана от спътниците, е 10,23MHz (както се приема от наблюдател на земята), отместена с Δf = -4,57×10^-10 Hz.

Чрез умножение на основната честота f₀ по 154 и по 120 се получават съответно честотите на двата носещи сигнала L1 и L2:

Всички GPS-спътници излъчват сигнал на една и съща честота, но се приемат с различни поради ефекта на Доплер.

Псевдослучайни кодове

Съществуват два вида псевдослучайни кодове, които се използват при GPS: C/A-код („clear/access“ или „coarse/acquisition“ code) и P-код („private“ или „precise“ code).

C/A-кодът се състои от 1023 бита с повторение 1 милисекунда. Всеки спътник излъчва уникална поредица от 1023 бита, което позволява на приемника да го различи от останалите.

Прецизният P-код се използва за военни цели и представлява псевдослучаен код с цикъл на повторение 267 дни. Всеки спътник излъчва уникален отрязък от този код, който се променя всяка седмица.

Навигационно съобщение

Цялото навигационно съобщение се състои от 37 500 бита и при честота от 50 bit/s са необходими 12,5 минути за предаването му. Това е времето необходимо и за инициализирането на един приемник, за да може да определи позицията, ако няма запазена информация в паметта.

Навигационното съобщение е разделено на 25 части (структури), всяка от които е по 1 500 бита, предавани за 30 секунди. Всяка от тези части е разделена на 5 подчасти от по 300 бита или 10 думи от по 30 бита. Първата дума на всяка структура се нарича TLM („telemetry word“) и съдържа информация за „възрастта“ на ефемеридите. Следващата дума се нарича HOW („hand over word“) и съдържа информация за времето от последното „рестартиране“ на GPS-времето. Тя дава възможност и за използването на Р-код на потребители, оборудвани с дешифратор.

Всяка от 5-те подчасти на структурите на навигационното съобщение съдържа данни както следва:

• 
  Първата съдържа времето на излъчване на съобщението, параметри за точността на часовниците и корекциите им, както и информация за състоянието на спътника и оценка за точността на положението му. Тази част съдържа също и 10-битов номер на седмицата (от 0 до 1023), започващ от 00:00 часа на 6 януари 1980 г. и рестартиран всеки 1024 седмици.
  

• 
  Втората и третата съдържат данни за ефемеридите, които представляват много точни параметри за орбитите на спътниците.
  

Грешки при определяне на позицията

Източници на грешки

Неточна позиция на спътниците

Тази грешка се появява, когато навигационното съобщение не предава точните координати на спътниците. Позицията им обикновено е известна с грешка в порядъка между 1 и 5 метра и води до отклонение в положението от няколко метра. Грешката в позицията на спътниците има тенденция да нараства с времето, тъй като орбиталните параметри, необходими за изчисляването на положението на спътника, се обновяват на два часа и това води до натрупване на грешка при изчисленията с времето.

Грешка в часовниците

За да се реши този проблем, часовниците на борда на спътниците се наблюдават постоянно от наземните станции, техните показания се сравняват с еталонни часовници и грешките се изчисляват и предават към потребителя чрез навигационното съобщение. При получаване на сигнала от приемника, от времето на изпращане се изважда грешката на часовника за дадения спътник, която се съдържа в съобщението.

Въпреки тази процедура, грешките в часовниците не могат да бъдат точно определени и избегнати и винаги остава отклонение от няколко наносекунди.

Йоносфера

За да се избегнат тези отклонения съществуват два основни метода:

• 
  използване на модел на закъснението, който използва информация от навигационното съобщение за оценка на грешката.
  
• 
  използване на две честоти на сигнала, като по този начин директно се изчислява закъснението. В случая се използва свойството на сигналите, че при различни честоти закъснението в йоносферата е различно.
  

Тропосфера

Както йоносферата, така и тропосферата води до промяна на скоростта на разпространение на GPS-сигнала. Промяната в температурата, налягането и влажността на въздуха са фактори за промяна на скоростта на радиовълните. Подобно на йоносферния модел за корекция на грешката, и при тропосферните отклонения се използва моделизация за изчисление на закъснението.

Многократни отражения (мултипат)

Мултипат-грешките, заедно с йоносферните закъснения, оказват най-голямо влияние върху точността на позицията. За намаляване на тази грешка се използват подобрени антени или специални приемници, които изчисляват отклоненията.

Разположение на спътниците

Определянето на позицията зависи от броя и разположението на спътниците. Колкото повече спътници са на разположение, толкова по-точно може да се определи положението. Разпределението на спътниците на небосклона също има значение. Колкото по-равномерно са разположени, толкова по-точна е позицията.

Умишлени грешки

Методът на въвеждане на грешки на английски се нарича „Selective Availability“ и е отменен през 2000 г. Все пак американските военни си запазват правото да въведат този метод, когато смятат за необходимо.

Корекция на грешките

Наред с диференциалните системи съществуват и други методи за подобрение на точността на изчислената позиция, като съчетване на GPS приемници с инерциални системи или използване на алгоритми за определяне на изправността на спътниците. В първия случай, GPS приемниците се комбинират с жироскоп и акселерометър, които позволяват на приемника да определя позицията дори при загуба на сигнала. Във втория случай, приемниците използват алгоритми за определяне на изправността на спътниците и изключват от навигационното уравнение тези, които не са достатъчно надеждни.

GPS е система, проектирана от американските военни, и основно се употребява за военни цели. Тя се използва на всяко място, където е разположена американската армия, за определяне на позицията на бойните единици, управление на бойни ракети и др. GPS-сателитите са оборудвани с детектори на ядрени детонации и се използват като част от програмата на САЩ за детектиране на ядрени взривове.

Освен за военни цели, системата се използва широко и от цивилни потребители, тъй като дава възможност да се определя положението и времето с много висока точност. Важна характеристика на системата е възможността тя да бъде използвана безплатно, което я прави изключително интересна на потребителския пазар.

Използване на GPS в такси

Някои от основните области на приложение на GPS са:

• 
  Навигация в транспорта - използва се за навигация в пътния, морския и въздушния транспорт, оптимизация на маршрути. В момента съществува голям брой сравнително евтини приемници и приложения, които се използват за навигация в автомобилите.
  
• 
  Науката и изследователската дейност — в географията, картографията, геологията, геодезията, археологията и др.
  
• 
  Селското стопанство — за планиране на терени, навигация на селскостопански машини и др.
  
• 
  Комуникациите - за синхронизиране на комуникационни системи
  
• 
  Туризъм и спорт — ориентиране, планински спасителни служби
  
• 
  Определяне на точното време и др.
  

Галилео (спътникова навигационна системa)

Компютърен модел на системата Галилео.

Галилео (Galileo) — е европейски проект на спътникова система за навигация, замислен като алтернатива на контролираните съответно от САЩ GPS и от Русия ГЛОНАСС. Проектът стартира през 2003 и е съвместно начинание на Европейския съюз и Европейската космическа агенция. Освен страните от Европейския съюз в проекта имат участие и Китай, Израел, Мароко, Саудитска Арабия, Южна Корея. Освен това се водят преговори с представители на Аржентина, Австралия, Бразилия, Чили, Индия, Малайзия, Русия и Украйна. Очаква се Галилео да заработи през 2008, когато в орбита ще се намират всички 30 планирани спътника.

Галилео се очаква да предостави:

-по-голяма точност за всички потребители в сравнение с настоящите системи;

-подобрено покритие над 75 градуса северна географска ширина.

-система за позициониране на която може да се разчита дори и по време на война.

История

Европейският съюз и Европейската космическа агенция се споразумяват за първата фаза на проекта на 26 май 2003 г. През 1999 г. група инженери от Франция, Германия и Великобритания разглеждат и сравняват различните предложени концепции, оставяйки само една.

В следващите етапи на проекта, Европейската комисия има известни проблеми с финансирането на системата. Поради икономически трудности и занижени национални бюджети, европейските държави имат резерви по отношение на осигуряването на средствата. В допълнение на тези затруднения, след терористичната атака на 11 септември 2001 г. правителството на Съединените Щати изпраща нота до Европейския съюз в опозиция на проекта, основавайки се на факта, че САЩ ще загубят възможност да изключат системата в случай на конфликт. На 17 януари 2002 г., говорител на проекта заявява, че „Галилео е почти мъртъв“ поради Американския натиск.

Няколко месеца по-късно, обаче, ситуацията се променя драматично. От части поради натиска, наложен от американското правителство, Европейският съюз решава, че е важно да създаде своя собствена, независима сателитна система за позициониране Всички членове на европейския съюз застават в подкрепа на „Галилео“ през 2002 г. и като резултат са отделени прекалено много средства за проекта. Това поставя напълно нови проблеми пред Европейската космическа агенция, която трябва да намери начин да убеди страните членки да намалят финансирането.

Европейският съюз и Европейската космическа агенция се разбират по отношение на финансирането на проекта през март 2002 г., изчаквайки преглед през 2003 (завършен на 26 май 2003 г.). Необходимата сума за началния период, завършващ в краят на 2005 г. е оценена на 1,1 милиарда евро. Спътниците (30 на брой) ще бъдат изстреляни през периода 2006-2010 г., а системата ще заработи под цивилен контрол през 2010 г. Крайната цена се очаква да бъде 3 милиарда евро, включително инфраструктурата, необходима да бъде изградена на Земята между 2006 и 2007 г. Поне две трети от разходите ще се покрият от частни инвеститори, а останалата част ще бъде разделена между Европейската космическа агенция и Европейския съюз. Криптиран сигнал с по-голяма честотна лента и подобрена точност ще бъде предоставен срещу заплащане, а свободният сигнал ще е безплатен за всеки притежател на съвместимо с „Галилео“ приемно устройство.

През юни 2004 г. Европейският съюз се съгласи да превключи на честота наричана „Двойно подсигурена носеща честота 1.1“ (Binary Offset Carrier 1.1), което ще предостави възможност едновременно на европейските и американските военни взаимно да блокират сигналите си на бойното поле без да изваждат от действие цялата система.

Международно участие

През септември 2003 г. Китай се присъединява към проекта. Китай ще инвестира в Галилео 230 милиона евро през следващите няколко години.

Израел също сключва споразумение за партньорство през юли 2004 г.

На 3 юли 2005 г. ЕС и Украйна подписват споразумение за включване в проекта.

На 7 септември Индия се включва към проекта и обяви че ще установи регионална система за усилване, базирана на EGNOS (European geostationary navigation overlay system).

През ноември 2005 се присъединяват Мароко и Саудитска арабия.

Последната (засега) държава членка е Южна Корея (12 януари 2006 г.)

Има предположения, че други страни също може да се присъединят. Това включва Аржентина, Австралия, Бразилия, Канада, Чили, Япония, Малайзия, Мексико, Норвегия, Пакистан и Русия.

Политически отзвук

Въпреки, че е впечатляващо технологично постижение с голямо практическо приложение, Галилео ще бъде също така и политическо изложение на Европейската независимост от САЩ и нейната система GPS. Силен стимул за изграждането на независима система, въпреки разпространеното използване на GPS за цивилни цели е че тя е по същността си военна система. Защитниците на Галилео казват, че в приложения от вида на приземяване на самолети не може да се разчита единствено на GPS.

Описание на системата

Спътници

• 
  30 спътника;
  
• 
  височина на орбитата 23 222 км.;
  
• 
  3 орбитални равнини, 56° инклинация (9 спътника в експлоатация и един активен запасен на всяка орбитална равнина);
  
• 
  планиран операционен живот спътник от системата: > 12 години;
  
• 
  маса на спътник: 675 кг.;
  
• 
  размер на спътник: 2,7 m х 1,2 m х 1,1 m;
  
• 
  размах на слънчевите панели: 18,7 м.;
  
• 
  мощност на слънчевите панели: 1 500 W (в края на живота).
  

Услуги

Галилео ще предостави четири различни навигационни услуги:

• 
  Свободната услуга (СУ) ще бъде безплатна за всички потребители. Сигналите на СУ ще бъдат излъчвани в две честотни ленти, 1164-1214 Mhz и 1563-1591 Mhz. Приемателите ще достигат <4 m. максимална хоризонтална точност и <8 m. максимална вертикална точност, ако използват и двете честотни ленти на СУ. Приемателите, използващи само една лента ще имат съответно <15 m. хоризонтална и <35 m. Вертикална точност, което е сравнимо с предлаганият от GPS цивилен сигнал. Очаква се повечето приематели в бъдеще да приемат едновременно сигнали от GPS и Галилео за максимално покритие.
  

• 
  Кодираната Комерсиална услуга (КУ) ще се предоставя срещу заплащане и ще има точност под 1м. КУ също така ще бъде допълнена от предаватели, разположени на земята, което има потенциала да повиши точността до под 10 cm. Сигналът ще бъде излъчван в три честотни ленти. Двете от СУ, както и 1260-1300 Mhz.
  

• 
  Кодираната Публична регулирана услуга и Safety of Life Service (SoL) ще предоставят точност, сравнима със СУ. Тяхната цел е устойчивост срещу заглушаване и надеждно разкриване на проблеми до 10 секунди след възникването им. Пазарът на тези услуги ще бъде ограничен до силовите власти (полиция, военни и т.н.), както и транспортни услуги, при които качеството на сигнала е от голямо значение (въздушен контрол, автоматично приземяване на самолети и т.н.)
  

В допълнение спътниците от системата Галилео ще имат възможност да приемат и предават сигнали от системата за сигурност на водния транспорт, което ги прави важна част от глобалната морска система за бедствия и аварии.

Тестови спътници

Изстрелване на GIOVE-A, първият спътник от Галилео.

Европейската космическа агенция успешно изведе в орбита първият от двата тестови спътници GIOVE-A (GSTB-2A), на 28 декември 2005 г. Ракетата носител Союз бе изстреляна в 05:19 UTC от космодрума Байконур в Казахстан Първият сигнал бе излъчен по план в 12:51 UTC, по което време спътникът бе в крайната си орбита на 13 222 км. Височина. GIOVE-A е прост излъчващ маяк.

Първите навигационни сигнали бяха приети в обсерваторията Chilbocton в Хемпшир, Великобритания и станцията на Европейската космическа агенция в Реду, Белгия на 12 януари 2006 г.

GIOVE-B, произведен от „Галилео индъстрис“ има по-сложен полезен товар, включващ два атомни часовника и ще бъде изстрелян през пролетта на 2006. Основната цел и за двата тестови спътника е да заделят честотите, предоставени от Международният телекомуникационен съюз. GIOVE-B ще има на борда си рубидев атомен часовник, както и първият в света пасивен мазерен атомен часовник, подготвен за работа в откритият космос.

Сравнение с GPS

Галилео е система, предназначена най-вече за цивилна употреба, за разлика от американската GPS, която се поддържа от военните. САЩ запазва правото си да намали силата на сигнала, или точността на системата, или да изключи напълно публичният достъп до нея в случай на конфликт. До 2000 г. точността на GPS бе умишлено намалена за цивилни нужди (процес, наричан избирателен достъп). Европейската система, която не може да бъде изключвана (въпреки че може да бъде заглушавана), ще предостави значително подобрение на сигнала спрямо GPS, осигурявайки пълна точност едновременно на цивилни и военни потребители.

Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Търсене на живот във вселената увод
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език

Изтегляне 254.1 Kb.

Сподели с приятели: