Основы спутниковой навигации план конспект

Обновлено: 06.07.2024

Ключевые слова: спутники навигации, GPS, ГЛОНАСС, производство, принцип работы, космические аппараты

На земной орбите постоянно вращаются искусственные спутники. По очень приблизительным подсчетам вокруг Земли кружат несколько тысяч спутников, которые делятся на 3 группы:

Спутники наблюдения — они снимают землю. И в их функции входит: мониторинг погоды, стихийных явлений, составление подробной карты местности. При этом, разрешение современных спутниковых снимков может достигать 31 см на один пиксель и этим может похвастаться спутник WorldWiew (рис. 1). [8,9,15]

Рис. 1. Спутник WorldWiew

Единственное, что такие спутники приблизительно находятся на высоте 600 км и совершают один оборот вокруг земли примерно за 100 минут и поэтому они не могут вести сьемку конкретного объекта.

Навигационные спутники — расположены на средней орбите и предназначены для определения местоположения географических координат наземных, водных и воздушных объектов. Спутниковые системы навигации также позволяют получить скорости и направления движенияприемника сигнала. Кроме того могут использоваться для получения точного времени. Такие системы состоят изкосмическогооборудования и наземного сегмента (систем управления). В настоящее время только две спутниковых системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара —GPSи ГЛОНАСС. (рис.2)

Рис. 2. Спутники навигации

Спутники связи — ретрансляторы. Расположены на геостационарной орбите, которая находится на 36786 км от поверхности Земли и в плоскости экватора. На этой орбите период обращения ровно сутки, поэтому они как бы зависают на месте. Основная их функция принимать сигнал со станции, усилить их и переизлучить на землю. И это излучение охватывает огромную территорию — зона покрытия (рис.3). [14,7]

Рис. 3. Зона покрытия спутников

О производстве спутников связи.

Производство легкового автомобиля начинается с листа стали, но а спутника с углеродного волокна. Детали из такого волокна служат скелетом спутника, но при этом они чрезвычайно легкие и прочные. Корпус делают из ячеистой фольги (сотовый заполнитель), которая сверху и снизу закрепляется алюминиевой или пластиковой пластиной и после сушки этот корпус становиться очень жестким и легким. Все детали спутника должны быть легкими и прочными.

А зачем нужна борьба за снижение веса? Любой спутник состоит как бы из двух больших частей: 1. Модуль служебных систем (двигатели, аккумуляторы, солнечные панели и т. д. То есть, все то, что необходимо для нормального функционирования на орбите). 2.Модуль полезной нагрузки (то зачем спутник находится на орбите — рабочие инструменты). Так вот, чем меньше вес аппарата, тем больше нагрузки он сможет взять.

Затем микросхемы, разные спутниковые аппаратуры соединяют в блоки, монтируют на корпусе. Навигационный спутник как бы обрастает новыми узлами и деталями.

Большинство деталей делают на разных производствах. Но одно дело сделать, а другое соединить вместе и проверить. Проверяют и перепроверяют каждый узел, провод. Спутник должен пройти ряд испытаний. К примеру электрические испытания-проверка электрических связей, параметры сигналов и имитация полета. Но перед это аппарат проходит совсем экзотические испытания на прочность.

Дальше путь на стартовую площадку. Ракету подвозят к пусковому столу, отстыковывают от железной дороги и вертикализируют. Затем идут 4 дня подготовительных работ. Затем баллистики назначают время старта.

После запуска и после того как отрабатывают все ступени РКН спутник с помощью своего разгоннового блока должен подняться с опорной орбиты на среднюю. После нескольких включений разгонного блока спутник не только поднимается на свою орбиту, но и меняет направление движения. [16]

Какой-то период времени люди запускали спутники, баллистические ракеты, ориентируясь исключительно по звездам. Но минус этого метода таков, что звезды двигаются, причем достаточно заметно.

$C:\Users\HOME\Desktop\Безымянный2.jpg$

Но более того, есть ощущение, что это не последняя революция. Сейчас все крупные космические агентства в мире разрабатывают системы ориентации спутников, которые были бы основаны на наблюдении рентгеновских пульсаров. Это не те пульсары, которые в двойных системах, где вещество течет с обычной звезды на нейтронную звезду, образую иногда аккреционный диск и мы видим рентгеновский пульсации. Это объекты, которые являются радио пульсарами, но они излучают во всех диапазонах, в том числе и рентгеновском. Поэтому у некоторых мы можем наблюдать это рентгеновское излучение. И это хорошо тем, что пульсары — это фантастически точные часы. На масштабе нескольких лет ход пульсара точнее хода атомных часов. На масштабе 10–20 лет они легко перебивают современные атомные часы. Такой метод ориентировки используют только если спутнику не видно Землю и ему нужно самостоятельно совершать сложные маневры и определять свое место положения. Тогда точность измерения времени приходов импульсов нескольких радио пульсаров помогает ему в этом. В случае, когда спутник находиться на орбите земли, этот метод не целесообразен, так как есть телеметрия с землей (рис.5.) [1]

$C:\Users\HOME\Desktop\Безымянный.jpg$

Рис. 5. Барицентр Солнечной системы

Но какова история создания самих спутников навигации, да и всей навигационной системы? Правительство США в 1973 году начало развертку программу, в последствии получившее название GPS — GlobalPositioningSystem. Первый спутник GPS был выведен на орбиту в 14 июля 1974 года. И эта передовая разработка была создана исключительно для военных целей. Однако, после того как в СССР сбили гражданский самолет, который случайно проник в из воздушное пространство в 1983 году, президент RonaldReagan предложил план, чтобы гражданские начали использовать следующие поколение GPS. Около 10 лет и 10 миллиардов долларов США потребовалось чтобы 1995 году получили доступ у упрощённой версии GPS. Точность у нее была гораздо ниже чем у военных, но в 2000 году президент Клинтон Билл позволил гражданским устройствам определять положение гораздо точнее.

Сегодня ВВС США продолжает поддерживать систему GPS. Было запущено 50 новых спутников в период 2005 по 2015 года.

Спутник представляет из себя контейнер диаметром 1.35 метра, в длину с выдвинутой антенной 7.84 метра и массой 1415 кг. Время активного существования такого спутника составляет 3–5 лет.

Но подобные спутниковые системы изготавливаются сейчас в Европе, Индии, Китае и Юго-Западной Азии. Хотя чисто технически достаточно и одной такой системы для обслуживания всех абонентов в любой точке планеты. Так для чего все стремятся создать собственную навигационную систему, если можно обойтись одной. Этому виной политика и опасение, что, например, GPS откажет, или ее просто сделают доступным лишь для авторизированных пользователей, путем кодирования радио сигнала. И тогда у других стран не останется альтернатив, равных по точности и скорости определения координат. Но у этой пряное есть и положительная сторона: объединив системы разных стран, можно будет повысить точность определения координат до нескольких сантиметров. [4,5]

В основе спутниковой навигации лежит бесхитростный принцип: Представьте себе что вы находитесь на огромной шахматной доске с завязанными глазами и вам нужно определить свои координаты. Вы знаете, что в двух углах шахматной доски располагаются некие звуковые источники, которые издают сигналы каждую секунду. На вашей руке есть часы, которые также вибрируют каждую секунду и синхронизированы с этими звуковыми сигналами. Но вы знаете, что звук распространяется с вполне определенной скоростью и поэтому приходит к вам с небольшим отставанием. Соответственно по задержке сигнала вы можете рассчитать расстояние до первого источника и тогда точно будете знать, что находитесь на окружности определенного радиуса вокруг него. Дождавшись сигнала со второго источника вы можете рассчитать расстояние до него и тогда на пересечении двух окружностей и будет ваше место положение.(рис.6.)

$C:\Users\HOME\Desktop\Безымянны3й.jpg$

Рис. 6. Иллюстрация работы спутниковой навигации

$C:\Users\HOME\Desktop\Безым2янный.jpg$

Так и работают спутниковые навигационные системы. Только это происходит в трехмерном пространстве, вместо звуковых используют радио волны.(рис.7).

Рис. 7. Работа спутников навигации в трехмерном пространстве

И так как эти волны движутся намного быстрее, для точнейшей синхронизации источников необходимо атомные часы. Спутник что и делает, как отправляет сигналы, содержащие время. Когда сигнал долетает до устройства, он сравнивает время отправки и время получения. Используя нехитрую математику устройство определяет на каком расстояние от спутника вы находитесь в данный момент. К сожалению система GPS не идеальна и сигнал передается очень медленно, точнее 50 Бит в секунду. [6,10,11,12]

Во стольном все очень похоже: это по-прежнему расчет расстояния до спутников с известными координатами и нахождение себя на пересечении теперь уже не окружностей, а сфер (рис.8).

$C:\Users\HOME\Desktop\Без2ым2янный.jpg$

Рис. 8. Нахождение на пересечении 4х сфер

Но принцип работы, который я описал чисто теоритический, на практике все гораздо сложнее. Например: существует влияние ионосферы и тропосферы, где скорость сигнала замедляется. Естественные и искусственные препятствия для прохождения радиоволн. Сигнал имеет свойство отражаться от поверхности, что приводит к увеличению расстояния, которое он проходит до приемника и соответственно вызывает погрешность в результатах. А так же существуют помехи и наводки на сигнал. В связи со всеми этими погрешностями приходиться решать одновременно несколько задач и корректировать сигнал от спутников с помощью наземных станций, в том числе беспроводных технологий WI-FI и GSM. Сейчас во многих приемниках используют чип AGPS, который позволяет загружать в устройство актуальный альманах через сотовую сеть для ускорения и упрощения расчётов. Что повышает точность определения координат. [2,3,13]

Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что технология никогда не стоит на месте и поэтому новые системы обещают сделать геолокацию быстрее, точнее и менее ресурсозатратной.

Основные термины (генерируются автоматически): GPS, спутник, система, сигнал, орбит, AGPS, GSM, спутниковая навигация, спутниковая система навигации, трехмерное пространство.

Спутниковые Навигационные Системы (СНС)— специальный комплекс космических и наземных технических средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга актуальных задач, связанных, прежде всего с оперативным и точным определением местоположения относительно Земного сфероида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геологоразведочных, экологических и других задач.

Каждая из систем спутниковой навигации состоит из трех самостоятельных подсистем: А, В и С.

215°15'00" + 120°(i-1), (8.1)

где i — номер орбитальной плоскости.

а). Спутник NAVSTAR.

б) Спутник ГЛОНАСС.

Рис. 8.1. Навигационные спутники.

Рис. 8.2. Спутниковые навигационные системы.

а) – NAVSTAR; б) – ГЛОНАСС.

Навигационные спутники системы NAVSTAR размещены в шести орбитальных плоскостях, по четыре спутника в каждой (рис. 8.2 б).

Такая конфигурация орбитальной структуры спутниковых навигационных систем обеспечивает глобальную и непрерывную зоны действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.

Высокой точности (ВТ) — предназначен исключительно для решения задач Министерства Обороны РФ.

Стандартной точности (СТ) — доступен всем потребителям.

Protected (P-code) — защищенный, предназначенный прежде всего для нужд МО США.

Selective Availability (S/A) — избирательной доступности, преднамеренно создавая значительный и непредсказуемый уход спутниковых часов создает значительные ошибки в определении местоположения для общегражданского круга пользователей.

Clear Acquisition (С/А) — легкой распознаваемости, т. е. — это общегражданский код.

Б — наземная подсистема контроля и управления состоит из группы станций слежения, нескольких станций загрузки на ИЗС и главной станции. Эта подсистема осуществляет мониторинг целостности системы и является первичным источником информации, поставляемой пользователям. Ее основными задачами являются:

- контроль за работой навигационных ИЗС;

- сбор информации для определения и прогноза орбит (эфемерид);

- формирование единой временной системы всего орбитального комплекса и ее синхронизация относительно Всемирного времени и экспортирование данных в память бортовых компьютеров навигационных ИЗС.

Орбитально - временная информация закладывается в память ИЗС дважды в сутки, что обеспечивает высокую точность навигационных определений.

- оперативность первого определения координат (менее 3 минут от включения приемника);

- непрерывность определения координат (каждые 0,5 с);

- малые габариты и вес приемников;

- сравнительно небольшая стоимость.

Данные позиционирования представляются в любом удобном для пользователя цифровом виде: в различных географических системах координат или в любой прямоугольной системе координат с возможностью описания и систематизации объектов позиционирования.

В настоящее время спутниковые навигационные системы уже нашли широкое применение в следующих областях: военной; на космическом, воздушном, морском, речном, автодорожном, железнодорожном и других видах транспорта; в геодезии, картографии, океанографии; при производстве геофизических и геолого-разведочных работ; в лесном хозяйстве и землеустройстве; рыболовном хозяйстве; в экологическом мониторинге; в научно-исследовательских работах, в том числе, фундаментальных и других сферах человеческой деятельности.

В части инженерной геодезии и инженерного дела, это безусловно, революционный прорыв в будущее, который влечет за собой как радикальное изменение парка инженерно-геодезического оборудования, так и технологий и методов производства работ.

Материал представлен в виде двух статей — первая часть — ниже представляет собой краткий экскурс по принципам работы систем спутниковой навигации, а вторая часть — практическое руководство по выбору и использованию приборов спутниковой навигации в альпинизме.
Заранее прошу простить многие существенные упрощения — статья ориентирована не на технических специалистов и призвана дать базовое понимание принципов работы систем спутниковой навигации и возможностей их использования.

Что такое спутниковая навигация

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.

Что такое геокоординаты

Широта́ — угол φ между местным направлением зенита и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0° до 90° в обе стороны от экватора. Географическую широту точек, лежащих в северном полушарии, (северную широту) принято считать положительной, широту точек в южном полушарии — отрицательной. О широтах, близких к полюсам, принято говорить как о высоких, а о близких к экватору — как о низких.

Принципы работы навигационных систем GPS/ГЛОНАСС
Глобальная система позиционирования GPS – это система, позволяющая с точностью не меньше нескольких десятков метров определить местоположение объекта, то есть его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.
GPS состоит из совокупности определённого количества искусственных спутников Земли и наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве пользовательского оборудования служат индивидуальные GPS-приёмники, способные принимать сигналы со спутников и по полученной информации вычислять своё местоположение.

Как определяется местоположение
Теоретически для определения местоположения необходимы данные с трех спутников. Попробуем разобраться, как происходит этот процесс. Допустим, нам известна величина расстояния от одного спутника до приемника. Зная ее, мы можем нарисовать окружность вокруг спутника, на краю которой и будет находиться наш приемник.

В случае двух спутников — приемник находится где то на пересечении двух сфер:

В случае трех спутников — возможно определить точную координату приемника как точку пересечения окружностей.

То есть теоретически координаты приемника можно определить по сигналам с трех спутников. В реальном случае для определения координат приемника используется четыре и более спутников.

Различные формы записи географических координат
- 21.36214, -157.95341
- N21.36214, W157.95341
- 21.36214°N, 157.95341°W
- 21°21.728'N, 157°57.205'W
- 21°21'43.7"N, 157°57'12.3"W
Форма записи координат в ГРАДУСАХ наиболее удобна для ручного ввода и совпадает с математической записью числа. Форма записи координат в ГРАДУСАХ И МИНУТАХ является предпочтительной во многих случаях, такой формат установлен по умолчанию в большинстве GPS навигаторов и стандартно используется в авиации и на море. Классическая форма записи координат в ГРАДУСАХ, МИНУТАХ И СЕКУНДАХ в действительности не находит большого практического применения.

Сколько километров в 1 градусе широты и долготы
1 градус ШИРОТЫ соответствует приблизительно 111 км.
1 градус ДОЛГОТЫ соответствует приблизительно 111 км на ЭКВАТОРЕ, при движении к полюсам соответствующее расстояние убывает пропорционально КОСИНУСУ ШИРОТЫ. Например, для Москвы 1 градус долготы 111 км * cos(55.7°) ≈ 62 км.
Из этих соотношений можно определить, например, что запись координат в градусах с 6 знаками после десятичной точки обеспечивает точность порядка 111 км * 0.000001 ≈ 0.1 метра на местности, заведомо избыточную.
Округление координат до целого числа секунд дает точность порядка 111 км / 3600 ≈ 30 метров.

Привязка к карте
На практике нас редко интересуют цифровые данные географических координат. Значительно чаще нас интересует расстояние и направление до тех или иных объектов и наше местоположение относительно них.
Данные о расположении различных географических объектов принято представлять в виде КАТРЫ.
Для привязки трехмерных географических координат к карте используются данные математической модели земной поверхности — ГЕОИДА. При этом система координат карты и системы навигации должна совпадать. Использование неверных систем координат может привести к значительным погрешностям.
Для работы со спутниковыми системами навигации рекомендуется модель WGS84.

В следующей части мы попробуем рассмотреть некоторые практические аспекты выбора и использования приборов спутниковой навигации применительно к альпинизму.

И поддержана партнерами Центральной Школы Инструкторов для Москвы (ЦШИМ):

Что такое спутниковая навигация

Что такое геокоординаты

И поддержана партнерами Центральной Школы Инструкторов для Москвы (ЦШИМ):

Читайте также: