Système de positionnement Glonass. Glonass ou GPS – avantages et inconvénients

L'idée de localiser des objets à l'aide de satellites artificiels de la Terre est venue à l'esprit des Américains dans les années 1950. Cependant, le satellite soviétique a poussé les scientifiques.

Le physicien américain Richard Kershner s'est rendu compte que si l'on connaît les coordonnées au sol, on peut connaître la vitesse du vaisseau spatial soviétique. C’est ici qu’a commencé le déploiement du programme, qui deviendra plus tard connu sous le nom de GPS – le système de positionnement global. En 1974, le premier satellite américain est mis en orbite. Initialement, ce projet était destiné aux départements militaires.

Comment fonctionne la géolocalisation

Regardons les fonctionnalités de géopositionnement en utilisant l'exemple d'un tracker classique. Jusqu'à l'activation, l'appareil est en mode veille, Module GPS GLONASS est désactivé. Cette option est fournie pour économiser la charge de la batterie et augmenter la durée durée de vie de la batterie appareils.

Lors de l'activation, trois processus sont lancés en même temps :

• Le récepteur GPS commence à analyser les coordonnées à l'aide du programme intégré. Si trois satellites sont détectés à ce moment, le système est considéré comme indisponible. La même chose se produit avec GLONASS ;
• si un tracker (par exemple un navigateur) prend en charge les modules de deux systèmes, l'appareil analyse les informations reçues des deux satellites. Ensuite, il lit les informations qu'il juge fiables ;
• si au bon moment les signaux des deux systèmes ne sont pas disponibles, alors le GSM est activé. Mais les données ainsi obtenues seront inexactes.

Par conséquent, lorsque vous vous demandez quoi choisir – GPS ou GLONASS, choisissez un équipement prenant en charge deux systèmes satellite. Les inconvénients de l’un seront couverts par l’autre. Ainsi, les signaux de 18 à 20 satellites sont disponibles simultanément pour le récepteur. Cela garantit un bon niveau et une bonne stabilité du signal et minimise les erreurs.

Coût du service de surveillance GPS et GLONASS

Plusieurs facteurs influencent le coût final de l'équipement :

• pays d'origine;
• quels systèmes de navigation sont utilisés ;
• qualité des matériaux et fonctions supplémentaires ;
• maintenance des logiciels.

L'option la plus économique est l'équipement de fabrication chinoise. Le prix commence à 1000 roubles. Cependant, il ne faut pas s’attendre à un service de qualité. Pour ce genre d'argent, le propriétaire bénéficiera de fonctionnalités limitées et d'une courte durée de vie.

Le prochain segment d'équipement est celui des fabricants européens. Le montant commence à 5 000 roubles, mais en retour l'acheteur reçoit une somme stable logiciel et des fonctionnalités avancées.

Les fabricants russes proposent des équipements assez rentables à des prix raisonnables. Les prix des trackers nationaux commencent à 2 500 roubles.

Un poste de dépense distinct – frais d'abonnement et paiement services supplémentaires. Frais mensuels pour les entreprises nationales – 400 roubles. Les fabricants européens ouvrent des options supplémentaires pour une « pièce » supplémentaire.

Vous devrez également payer pour l'installation du matériel. En moyenne, l'installation dans centre de services coûtera 1 500 roubles.

Avantages et inconvénients du GLONASS et du GPS

Examinons maintenant les avantages et les inconvénients de chaque système.

Les satellites GPS apparaissent à peine dans l'hémisphère sud, tandis que le GLONASS transmet des signaux vers Moscou, la Suède et la Norvège. La clarté du signal est plus élevée dans le système américain grâce à 27 satellites actifs. La différence d’erreur « fait le jeu » des satellites américains. A titre de comparaison : l'imprécision du GLONASS est de 2,8 m, celle du GPS est de 1,8 m. Il s'agit cependant d'un chiffre moyen. La pureté des calculs dépend de la position des satellites en orbite. Dans certains cas, les appareils sont alignés de telle manière que le degré d'erreur de calcul augmente. Cette situation se produit dans les deux systèmes.

CV

Alors, lequel gagnera dans la comparaison GPS vs GLONASS ? À proprement parler, les utilisateurs civils ne se soucient pas des satellites utilisés par leur équipement de navigation. Les deux systèmes sont gratuits et situés dans accès libre. Une solution raisonnable pour les développeurs serait l'intégration mutuelle des systèmes. Dans ce cas, le tracker aura le nombre requis d'appareils dans son « champ de vision », même dans des conditions météorologiques défavorables et dans des interférences sous la forme d'immeubles de grande hauteur.

GPS et GLONASS. Vidéo sur le sujet

Le système GLONASS est le plus grand système de navigation qui vous permet de suivre l'emplacement de divers objets. Le projet, lancé en 1982, continue de se développer et de s'améliorer activement. De plus, des travaux sont en cours à la fois sur le support technique de GLONASS et sur l'infrastructure qui permet à de plus en plus de personnes d'utiliser le système. Ainsi, si dans les premières années d’existence du complexe, la navigation par satellite était principalement utilisée pour résoudre des problèmes militaires, GLONASS est aujourd’hui un outil technologique de positionnement devenu indispensable dans la vie de millions d’utilisateurs civils.

Systèmes mondiaux de navigation par satellite

En raison de la complexité technologique du positionnement mondial par satellite, seuls deux systèmes peuvent aujourd'hui correspondre pleinement à ce nom : GLONASS et GPS. Le premier est russe et le second est le fruit de développeurs américains. D'un point de vue technique, GLONASS est un complexe de matériel spécialisé situé à la fois en orbite et au sol.

Pour communiquer avec les satellites, des capteurs et récepteurs spéciaux sont utilisés pour lire les signaux et générer des données de localisation basées sur ceux-ci. Pour calculer les paramètres temporels, des paramètres spéciaux sont utilisés. Ils permettent de déterminer la position d'un objet, en tenant compte de la diffusion et du traitement des ondes radio. La réduction des erreurs permet un calcul plus fiable des paramètres de positionnement.

Fonctionnalités de navigation par satellite

Dans l'éventail des tâches des systèmes globaux navigation par satellite comprend la détermination de l'emplacement exact des objets au sol. En plus de la localisation géographique, les systèmes mondiaux de navigation par satellite vous permettent de prendre en compte le temps, l'itinéraire, la vitesse et d'autres paramètres. Ces tâches sont réalisées grâce à des satellites situés à différents points au-dessus de la surface de la Terre.

L'utilisation de la navigation mondiale ne se limite pas à l'industrie des transports. Les satellites contribuent aux opérations de recherche et de sauvetage, aux travaux géodésiques et de construction, ainsi qu'à la coordination et à la maintenance d'autres stations et véhicules spatiaux. L'industrie militaire n'est pas non plus laissée sans le soutien d'un système à des fins similaires, fournissant un signal sécurisé conçu spécifiquement pour les équipements autorisés du ministère de la Défense.

Système GLONASS

Le système n'a commencé à fonctionner pleinement qu'en 2010, bien que les tentatives d'introduction du complexe dans travail actif ont été entreprises depuis 1995. Les problèmes étaient en grande partie liés à la faible durabilité des satellites utilisés.

Sur à l'heure actuelle GLONASS se compose de 24 satellites qui opèrent à différents points de l'orbite. De manière générale, l'infrastructure de navigation peut être représentée par trois composants : un complexe de contrôle (assure le contrôle du regroupement en orbite), ainsi qu'un système de navigation moyens techniques utilisateurs.

24 satellites, chacun possédant sa propre altitude constante, sont répartis en plusieurs catégories. Il y a 12 satellites pour chaque hémisphère. Grâce aux orbites des satellites, une grille se forme à la surface de la Terre, grâce à laquelle les signaux déterminent des coordonnées précises. A part ça, satellite GLONASS Il dispose également de plusieurs installations de sauvegarde. Ils sont également chacun sur leur orbite et ne chôment pas. Leurs tâches consistent notamment à étendre la couverture sur une région spécifique et à remplacer les satellites défaillants.

Système GPS

L'analogue américain du GLONASS est un système GPS, qui a également commencé ses travaux dans les années 1980, mais ce n'est que depuis 2000 que la précision de la détermination des coordonnées lui a permis de se généraliser auprès des consommateurs. Aujourd'hui, les satellites GPS garantissent une précision jusqu'à 2-3 m. Retard dans le développement des capacités de navigation. pendant longtempsétait dû à des limitations artificielles de positionnement. Néanmoins, leur suppression a permis de déterminer les coordonnées avec une précision maximale. Même synchronisé avec des récepteurs miniatures, un résultat correspondant à GLONASS est obtenu.

Différences entre GLONASS et GPS

Il existe plusieurs différences entre les systèmes de navigation. Il existe notamment une différence dans la nature de la disposition et du mouvement des satellites en orbite. Dans le complexe GLONASS, ils se déplacent sur trois plans (huit satellites chacun) et le système GPS permet de travailler sur six plans (environ quatre par plan). Ainsi, le système russe offre une couverture plus large du territoire, ce qui se traduit par une plus grande précision. Cependant, dans la pratique, la « durée de vie » à court terme des satellites nationaux ne permet pas d'utiliser tout le potentiel du système GLONASS. Le GPS, quant à lui, maintient une grande précision grâce au nombre redondant de satellites. Néanmoins, le complexe russe introduit régulièrement de nouveaux satellites, à la fois pour une utilisation ciblée et comme support de secours.

Différentes méthodes de codage du signal sont également utilisées : les Américains utilisent le code CDMA et GLONASS utilise le FDMA. Lorsque les récepteurs calculent les données de positionnement, le russe système satellitaire fournit un modèle plus complexe. De ce fait, l’utilisation de GLONASS nécessite une consommation d’énergie élevée, qui se reflète dans les dimensions des appareils.

Que permettent les capacités GLONASS ?

L'une des tâches fondamentales du système consiste à déterminer les coordonnées d'un objet capable d'interagir avec GLONASS. Dans ce sens, le GPS effectue des tâches similaires. En particulier, les paramètres de mouvement des objets terrestres, maritimes et aériens sont calculés. En quelques secondes, un véhicule équipé d'un navigateur approprié peut calculer les caractéristiques de son propre mouvement.

Parallèlement, le recours à la navigation globale est déjà devenu obligatoire pour certaines catégories de transports. Si dans les années 2000 la diffusion du positionnement par satellite était liée au contrôle de certains objets stratégiques, aujourd'hui les récepteurs équipent les navires et les avions, les transports en commun, etc. Dans un avenir proche, il est possible que toutes les voitures particulières soient obligées d'être équipées avec les navigateurs GLONASS.

Quels appareils fonctionnent avec GLONASS

Le système est capable de fournir un service global continu à toutes les catégories de consommateurs sans exception, quelles que soient les conditions climatiques, territoriales et temporelles. J'aime les services Systèmes GPS, le navigateur GLONASS est fourni gratuitement et partout dans le monde.

Les appareils capables de recevoir des signaux satellite comprennent non seulement les aides à la navigation embarquées et les récepteurs GPS, mais également téléphones portables. Les données sur la localisation, la direction et la vitesse de déplacement sont envoyées à un serveur spécial via les réseaux des opérateurs GSM. Aide à utiliser les capacités de navigation par satellite programme spécial GLONASS et diverses applications qui traitent des cartes.

Récepteurs combinés

L'expansion territoriale de la navigation par satellite a conduit à la fusion des deux systèmes du point de vue du consommateur. En pratique, les appareils GLONASS sont souvent complétés par le GPS et vice versa, ce qui augmente la précision des paramètres de positionnement et de synchronisation. Techniquement, cela est réalisé grâce à deux capteurs intégrés dans un seul navigateur. Sur la base de cette idée, des récepteurs combinés sont produits qui fonctionnent simultanément avec le GLONASS, les systèmes GPS et les équipements associés.

En plus d'augmenter la précision de la détermination, une telle symbiose permet de suivre la localisation lorsque les satellites de l'un des systèmes ne sont pas détectés. Le nombre minimum d'objets orbitaux dont la « visibilité » est requise pour le fonctionnement du navigateur est de trois unités. Ainsi, si, par exemple, le programme GLONASS devient indisponible, alors les satellites GPS viendront à la rescousse.

Autres systèmes de navigation par satellite

L'Union européenne, ainsi que l'Inde et la Chine, développent des projets d'envergure similaire à ceux du GLONASS et du GPS. prévoit de mettre en œuvre un système Galileo composé de 30 satellites, qui atteindra une précision inégalée. En Inde, il est prévu de lancer le système IRNSS, fonctionnant à travers sept satellites. Le complexe de navigation est orienté vers un usage domestique. Le système Compass des développeurs chinois devrait être composé de deux segments. Le premier comprendra 5 satellites et le second 30. Ainsi, les auteurs du projet envisagent deux formats de service.

Article sur les systèmes GLONASS et GPS : caractéristiques des systèmes satellitaires, leurs caractéristiques et analyse comparative. À la fin de l'article se trouve une vidéo sur les principes de fonctionnement du GPS et du GLONASS.

Désormais, les sphères d'influence se partagent entre le russe GLONASS, l'américain GPS (Global Positioning System) et le chinois BeiDou, qui monte progressivement en puissance. Le choix d'un système pour votre propre voiture peut être déterminé par des motifs patriotiques, ou il peut être basé sur une évaluation compétente des avantages et des inconvénients de ces développements.

Bases des communications par satellite

Les satellites interagissant avec un système de navigation particulier lui envoient des signaux personnels différents les uns des autres. Pour déterminer clairement les coordonnées spatiales, le navigateur n'a besoin que des informations de 4 satellites. Il ne s’agit donc pas d’un simple gadget automobile, mais d’un des éléments d’un mécanisme complexe de positionnement spatial.

Au fur et à mesure que la voiture bouge, les coordonnées changent continuellement. Par conséquent, le système de navigation est conçu de telle manière qu'à certains intervalles réguliers, il met à jour les données reçues et recalcule la distance.

Création de systèmes

En 1964, un système de navigation exclusivement militaire appelé TRANZIT est entré en service, devenant ainsi le premier développement mondial de ce niveau. Il a facilité le lancement de missiles depuis des sous-marins, mais n'a calculé la précision de la localisation de l'objet qu'à une distance de 50 mètres. De plus, cet objet devait rester absolument immobile.

Il est devenu clair que le premier et à l'époque le seul navigateur au monde ne pouvait pas faire face à la tâche de détermination constante des coordonnées. Cela était dû au fait qu'en passant en orbite basse, le satellite ne pouvait envoyer des signaux à la Terre que pendant une heure.

La version suivante, modernisée, est apparue 3 ans plus tard, avec le nouveau satellite Timation-1 et son frère Timation-2. Ensemble, ils s'élevèrent sur une orbite plus élevée et s'unirent pour former système unifié, appelé "Navstar". Cela a commencé comme un développement militaire, mais il a ensuite été décidé de le rendre public pour les besoins de la population civile.

Ce système est toujours opérationnel, avec 32 satellites dans son arsenal, assurant une couverture complète de la Terre. 8 autres appareils sont en réserve pour un événement imprévu. Se déplaçant à une distance significative de la planète sur plusieurs orbites, les satellites achèvent leur révolution en presque une journée.

Sur système GLONASS domestique a commencé à fonctionner à l'époque de l'Union - une puissance puissante dotée d'un esprit scientifique exceptionnel. La mise en orbite d'un satellite artificiel a lancé les travaux de conception du système de positionnement.

L’Union soviétique a été détruite, le pays était dans une situation désespérée et ne parvenait pas à trouver les réserves nécessaires pour faire aboutir le système de haute technologie. L'ensemble du système comprenait 24 satellites, mais en raison de difficultés financières, près de la moitié d'entre eux n'étaient pas opérationnels. Par conséquent, à cette époque, dans les années 90, le GLONASS ne pouvait même pas rivaliser avec le GPS.

À ce jour Développeurs russes entendent rattraper et dépasser leurs collègues américains, ce qui confirme déjà la révolution plus rapide de nos satellites autour de la Terre. Bien qu’historiquement le système satellitaire russe soit nettement à la traîne par rapport au système américain, cet écart se réduit d’année en année.

Avantages et inconvénients

Dans l’ensemble, de nombreux citoyens ne se soucient pas du type de navigation par satellite utilisé par leur équipement. Ils sont tous deux disponibles sans restrictions ni frais pour tout population civile, y compris pour une utilisation dans une voiture. D'un point de vue technique, la société satellitaire suédoise a officiellement annoncé les mérites du GLONASS, qui fonctionne bien mieux sous les latitudes septentrionales.

Les satellites GPS n'apparaissent pratiquement pas au nord du 55e parallèle, et donc dans l'hémisphère sud, plus au sud. Alors qu'avec un angle d'inclinaison de 65 degrés et une altitude de 19,4 mille km, les satellites GLONASS fournissent d'excellents signaux stables à Moscou, à la Norvège et à la Suède, si appréciés des experts étrangers.

Bien que les deux systèmes aient grand nombre satellites dans tous les plans orbitaux, d'autres experts donnent encore la palme au GPS. Même avec un programme actif d'amélioration du système russe, les Américains disposent actuellement de 27 satellites contre 24 russes, ce qui donne une plus grande clarté à leurs signaux.

La fiabilité des signaux GLONASS est de 2,8 m contre 1,8 m pour le GPS. Cependant, ce chiffre est assez moyen, car les satellites peuvent être alignés en orbite de telle manière que le taux d'erreur augmente plusieurs fois. De plus, une telle situation peut arriver aux deux systèmes satellitaires.

Pour cette raison, les fabricants tentent d'équiper leurs appareils d'un système de navigation double qui reçoit les signaux du GPS et du GLONASS.

La qualité des équipements au sol qui reçoivent et décryptent les données reçues joue un rôle important.

GLONASS :

• la modification des coordonnées célestes (éphémérides) entraîne une inexactitude dans la détermination des coordonnées, atteignant 30 mètres ;
• interruption assez fréquente, quoique de courte durée, du signal ;
• influence tangible des éléments du relief sur la clarté des données obtenues.

• recevoir un signal erroné en raison d'interférences par trajets multiples et d'instabilité atmosphérique ;
• une différence significative entre la version civile du système, qui a des capacités trop limitées par rapport au développement militaire.

Deux systèmes

Ainsi, l’objectif de conception est que chaque appareil de réception puisse communiquer avec autant de satellites que possible. Cela revient encore une fois à l'idée de combiner GLONASS et GPS, déjà pratiquée en Amérique pour les services de secours. Quelle que soit l’évolution des relations entre les États, la vie humaine passe avant tout, et une puce à double système déterminera la localisation d’une personne en difficulté avec plus de rapidité et de clarté.

Une telle synthèse évitera également aux automobilistes l'impossibilité de s'orienter dans des zones inconnues du fait que le navigateur est trop lent à établir une connexion et met trop de temps à traiter les informations. La raison en est la perte d'un satellite due à des interférences banales : un immeuble de grande hauteur, un viaduc ou même un gros camion dans le quartier. Mais si le navigateur de la voiture est équipé d'une puce à double système, le risque de gel sera considérablement réduit.

Lorsque cette pratique se généralisera, le navigateur ne se souciera plus du pays d'origine du système, car celui-ci sera capable de suivre simultanément jusqu'à 40 satellites, ce qui donnera une localisation d'une précision fantastique.

Vidéo sur les principes de fonctionnement du GPS et du GLONASS :

La navigation par satellite est utilisée par les conducteurs, les cyclistes et les touristes - même les joggeurs du matin suivent leur propre itinéraire à l'aide de satellites. Au lieu de demander aux passants comment trouver la bonne maison, la plupart préfèrent sortir leur smartphone et poser cette question au GLONASS ou au GPS. Bien que des modules de navigation par satellite soient installés dans chaque smartphone et dans la plupart des montres de sport, seule une personne sur dix comprend comment fonctionne ce système et comment trouver le bon parmi un océan d'appareils dotés de fonctions GPS/GLONASS.

Comment fonctionne un système de navigation par satellite ?

L'abréviation GPS signifie Global Positioning System : « système de positionnement global », si elle est traduite littéralement. L'idée d'utiliser des satellites en orbite terrestre basse pour déterminer les coordonnées d'objets au sol est apparue dans les années 1950, immédiatement après le lancement du premier satellite artificiel par l'Union soviétique. Des scientifiques américains ont surveillé le signal du satellite et ont découvert que sa fréquence change lorsque le satellite s'approche ou s'éloigne. Par conséquent, connaissant vos coordonnées exactes sur Terre, vous pouvez calculer l'emplacement exact du satellite. Cette observation a donné une impulsion au développement d'un système global de calcul de coordonnées.

Initialement, la marine s'est intéressée à la découverte - le laboratoire naval a commencé à se développer, mais au fil du temps, il a été décidé de créer un système unifié pour toutes les forces armées. D'abord Satellite GPS lancé en orbite en 1978. Actuellement, une trentaine de satellites transmettent des signaux. Lorsque le système de navigation a commencé à fonctionner, les départements militaires américains ont fait un cadeau à tous les habitants de la planète : ils ont ouvert l'accès gratuit aux satellites, afin que chacun puisse utiliser gratuitement le système de positionnement global, à condition d'avoir un récepteur.

A la suite des Américains, Roscosmos crée son propre système : le premier satellite GLONASS est mis en orbite en 1982. GLONASS est un système mondial de navigation par satellite qui fonctionne sur le même principe que le système américain. Il y a actuellement 24 satellites russes en orbite qui assurent la coordination.

Pour utiliser l'un des systèmes, ou de préférence deux en même temps, il faut un récepteur qui recevra les signaux des satellites, ainsi qu'un ordinateur pour déchiffrer ces signaux : la localisation de l'objet est calculée en fonction des intervalles entre les signaux reçus. . La précision du calcul est de plus ou moins 5 m.

Plus un appareil « voit » de satellites, plus il peut fournir d’informations. Pour déterminer les coordonnées, le navigateur n'a besoin que de voir deux satellites, mais s'il trouve la direction d'au moins quatre satellites, l'appareil pourra signaler, par exemple, la vitesse de déplacement de l'objet. Par conséquent, les appareils de navigation modernes lisent de plus en plus de paramètres :

• Coordonnées géographiques de l'objet.
• La vitesse de son mouvement.
• Altitude au-dessus du niveau de la mer.

Quelles erreurs peuvent survenir lors du fonctionnement du GPS/GLONASS ?

La navigation par satellite est bonne car elle est disponible 24 heures sur 24, partout sur la planète. Où que vous soyez, si vous disposez d'un récepteur, vous pouvez déterminer les coordonnées et construire un itinéraire. Cependant, dans la pratique, le signal satellite peut être brouillé par des obstacles physiques ou des catastrophes météorologiques : si vous traversez un tunnel souterrain et qu'il y a également une tempête au-dessus, le signal peut ne pas « atteindre » le récepteur.

Ce problème a été résolu grâce à la technologie A-GPS : elle suppose que le récepteur accède au serveur via des canaux de communication alternatifs. Cela utilise à son tour les données reçues des satellites. Grâce à cela, vous pouvez utiliser le système de navigation dans les pièces, les tunnels et par mauvais temps. La technologie A-GPS est conçue pour les smartphones et autres appareils personnels, donc lors du choix d'un navigateur ou d'un smartphone, vérifiez s'il prend en charge cette norme. De cette façon, vous pouvez être sûr que l'appareil ne tombera pas en panne à un moment crucial.

Les propriétaires de smartphones se plaignent parfois que le navigateur ne fonctionne pas avec précision ou qu'il « s'éteint » périodiquement et ne détermine pas les coordonnées. En règle générale, cela est dû au fait que la fonction GPS/GLONASS est désactivée par défaut sur la plupart des smartphones. L'appareil utilise des tours de téléphonie cellulaire ou Internet sans fil. Le problème peut être résolu en configurant le smartphone et en activant la méthode souhaitée pour déterminer les coordonnées. Vous devrez peut-être également calibrer la boussole ou réinitialiser votre navigateur.

Types de navigateurs

• Automobile. Un système de navigation basé sur les satellites GLONASS ou leurs analogues américains peut faire partie de l'ordinateur de bord d'une voiture, mais le plus souvent, ils achètent des appareils séparés. Ils déterminent non seulement les coordonnées de la voiture et vous permettent de vous rendre facilement d'un point A à un point B, mais protègent également contre le vol. Même si des criminels volent une voiture, celle-ci peut être suivie à l’aide d’une balise. Un autre avantage des dispositifs spéciaux pour voitures est qu'ils prévoient l'installation d'une antenne - grâce à l'antenne, vous pouvez renforcer le signal GLONASS.
• Touristique. Si un ensemble spécial de cartes peut être installé dans un navigateur automobile, des exigences plus strictes sont alors imposées aux appareils de voyage : les modèles modernes permettent l'utilisation d'un ensemble étendu de cartes. Cependant, l'appareil touristique le plus simple n'est qu'un récepteur de signal avec un simple ordinateur. Il se peut même qu'il ne marque pas les coordonnées sur la carte, auquel cas une carte papier avec une grille de navigation sera nécessaire. Cependant, ces appareils ne sont désormais achetés que pour des raisons d’économie.
• Smartphones, tablettes avec récepteur GPS/GLONASS. Les smartphones vous permettent également de télécharger un ensemble étendu de cartes. Ils peuvent être utilisés comme navigateurs automobiles et touristiques, l'essentiel est d'installer l'application et de télécharger les cartes nécessaires. Beaucoup d'utiles programmes de navigation– gratuit, mais pour certains, vous devez payer une petite somme.

Programmes de navigation pour smartphones

L'un des plus programmes simples, conçu pour ceux qui ne veulent pas se plonger dans la fonctionnalité : MapsWithMe. Il vous permet de télécharger une carte de la région souhaitée depuis le réseau, puis de l'utiliser même s'il n'y a pas de connexion Internet. Le programme affichera l'emplacement sur la carte, trouvera les objets marqués sur cette carte - vous pourrez les enregistrer sous forme de signets et les utiliser plus tard recherche rapide. C'est là que se termine la fonctionnalité. Le programme utilise uniquement des cartes vectorielles ; les autres formats ne peuvent pas être chargés.

Les propriétaires d'appareils Android peuvent utiliser le programme OsmAnd. Il convient aux conducteurs et aux piétons, car il vous permet de tracer automatiquement un itinéraire le long des routes ou des sentiers de montagne. Le navigateur GLONASS vous guidera tout au long de l'itinéraire commandes vocales. En plus des cartes vectorielles, vous pouvez utiliser des cartes raster, ainsi que marquer des waypoints et enregistrer des traces.

L'alternative la plus proche d'OsmAnd est l'application Locus Map. Il convient aux touristes piétons, car il ressemble à un classique appareil de navigation pour les touristes, qui étaient utilisés avant l'avènement des smartphones. Utilise à la fois des cartes vectorielles et raster.

Appareils de voyage

Les smartphones et tablettes peuvent remplacer un appareil GPS/GLONASS dédié au tourisme, mais cette solution a ses inconvénients. D’une part, si vous possédez un smartphone, vous n’avez pas besoin d’acheter d’appareils supplémentaires. Il est facile de travailler avec la carte sur un grand écran lumineux, et le choix d'applications est large - nous n'avons indiqué que quelques programmes, il est impossible de couvrir toutes les offres. Mais le smartphone a aussi des inconvénients :

• Se décharge rapidement. En moyenne, l'appareil fonctionne pendant une journée et encore moins en mode recherche constante de coordonnées.
• Nécessite une manipulation prudente. Bien sûr, il existe des smartphones sécurisés, mais outre le fait qu'ils sont chers, la fiabilité d'un tel smartphone n'est toujours pas comparable à celle d'un appareil GLONASS spécial touristique. Il peut être complètement étanche.

Pour les randonnées de plusieurs jours en pleine nature, des appareils spécialisés ont été développés, dans des boîtiers étanches et avec batteries puissantes. Cependant, lors du choix d’un tel appareil, il est important de s’assurer qu’il prend en charge à la fois les cartes vectorielles et raster. Une carte raster est une image liée à des coordonnées. Vous pouvez prendre une carte papier, la numériser, la lier aux coordonnées GLONASS - et vous obtenez une carte raster. Les cartes vectorielles ne sont pas une image, mais un ensemble d'objets que le programme place sur l'image. Le système permet de lancer une recherche par objets, mais créer soi-même un tel schéma est difficile.

Systèmes de navigation par satellite GLONASS et GPS. Partie 1

E. Povalyaev, S. Khutornoy

Systèmes de navigation par satellite GLONASS et GPS. Partie 1

Nous attirons votre attention sur une série d'articles consacrés aux systèmes de radionavigation par satellite Glonass (système mondial de navigation par satellite) et GPS (Global Positioning System). Le premier article de la série traite de la construction et du fonctionnement des systèmes, de la structure et des fonctions des équipements grand public (récepteurs), des algorithmes permettant de résoudre le problème de navigation et des perspectives de développement des systèmes.

Depuis l’Antiquité, les voyageurs se demandent : comment déterminer leur localisation sur Terre ? Les anciens navigateurs étaient guidés par les étoiles, indiquant la direction du voyage : connaissant la vitesse moyenne et le temps de trajet, il était possible de naviguer dans l'espace et de déterminer la distance jusqu'à la destination finale. Cependant, les conditions météorologiques n’ont pas toujours été en faveur des chercheurs, il n’a donc pas été difficile de perdre le cap. Avec l’avènement de la boussole, la tâche est devenue nettement plus facile. Le voyageur était déjà moins dépendant de la météo.

L'ère de la radio a ouvert de nouvelles opportunités aux gens. Avec l'avènement des stations radar, lorsqu'il est devenu possible de mesurer les paramètres de mouvement et la localisation relative d'un objet à partir d'un faisceau radar réfléchi par sa surface, la question s'est posée de la possibilité de mesurer les paramètres de mouvement d'un objet à partir du signal émis. En 1957, en URSS, un groupe de scientifiques dirigé par V.A. Kotelnikova a confirmé expérimentalement la possibilité de déterminer les paramètres de mouvement d'un satellite artificiel terrestre (AES) sur la base des résultats des mesures du décalage de fréquence Doppler du signal émis par ce satellite. Mais, plus important encore, la possibilité de résoudre le problème inverse a été établie : trouver les coordonnées du récepteur à partir du décalage Doppler mesuré du signal émis par le satellite, si les paramètres de mouvement et les coordonnées de ce satellite sont connus. Lorsqu'il se déplace en orbite, le satellite émet un signal d'une certaine fréquence dont la valeur nominale est connue du côté récepteur (consommateur). La position du satellite à chaque instant est connue plus précisément, elle peut être calculée à partir des informations contenues dans le signal satellite. L'utilisateur, mesurant la fréquence du signal qui lui arrive, la compare avec celle de référence et calcule ainsi le décalage de fréquence Doppler dû au mouvement du satellite. Les mesures sont effectuées en continu, ce qui permet de construire une sorte de fonction de changement de fréquence Doppler. À un moment donné, la fréquence devient nulle puis change de signe. Au moment où la fréquence Doppler est égale à zéro, le consommateur se trouve sur une ligne normale au vecteur de mouvement du satellite. En utilisant la dépendance de la pente de la courbe de fréquence Doppler sur la distance entre le consommateur et le satellite et en mesurant le moment où la fréquence Doppler est nulle, il est possible de calculer les coordonnées du consommateur.

Ainsi, le satellite artificiel de la Terre devient une station de référence de radionavigation, dont les coordonnées changent dans le temps en raison du mouvement orbital du satellite, mais peuvent être calculées à l’avance à tout moment grâce aux informations éphémérides intégrées dans le signal de navigation du satellite.

En 1958-1959 à l'Académie d'ingénierie de l'armée de l'air de Leningrad (LVVIA) du nom. A.F. Mozhaisky, l'Institut d'astronomie théorique de l'Académie des sciences de l'URSS, l'Institut d'électromécanique de l'Académie des sciences de l'URSS, deux instituts de recherche maritime et l'Institut de recherche scientifique des sciences physiques de Gorki ont mené des recherches sur le thème « Spoutnik », qui est devenu plus tard la base de la construction du premier système national de navigation par satellite en orbite basse "Cicada". Et en 1963, les travaux de construction de ce système ont commencé. En 1967, le premier satellite de navigation national, Kosmos-192, a été mis en orbite. Une caractéristique des systèmes de radionavigation par satellite de première génération est l'utilisation de satellites en orbite basse et l'utilisation d'un signal provenant d'un satellite actuellement visible pour mesurer les paramètres de navigation d'un objet. Par la suite, les satellites du système « Cicada » ont été équipés d'équipements de réception permettant de détecter des objets en détresse.

Parallèlement, après le lancement réussi du premier satellite terrestre artificiel par l'URSS, aux États-Unis, au Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins, des travaux sont en cours concernant la possibilité de mesurer les paramètres du signal émis. par le satellite. Sur la base des mesures, les paramètres du mouvement du satellite par rapport au point d'observation au sol sont calculés. Résoudre le problème inverse est une question de temps.

Sur la base de ces études, le système de radionavigation par satellite Doppler de première génération « Transit » a été créé aux États-Unis en 1964. Son objectif principal est le soutien à la navigation pour le lancement de missiles balistiques Polaris depuis des sous-marins. Le directeur du Laboratoire de Physique Appliquée, R. Kershner, est considéré comme le père du système. Le système est devenu disponible pour un usage commercial en 1967. Tout comme dans le système Cicada, dans le système Transit, les coordonnées de la source sont calculées à partir du décalage de fréquence Doppler du signal provenant de l'un des 7 satellites visibles. Les systèmes satellitaires ont des orbites polaires circulaires avec une altitude au-dessus de la surface de la Terre d'environ 1 100 km, la période orbitale des satellites Transit est de 107 minutes ; La précision du calcul des coordonnées de la source dans les systèmes de première génération dépend en grande partie de l'erreur de détermination de la vitesse de la source. Ainsi, si la vitesse d'un objet est déterminée avec une erreur de 0,5 m, cela entraînera à son tour une erreur dans la détermination des coordonnées de ~ 500 m. Pour un objet stationnaire, cette valeur diminue à 50 m.

De plus, un fonctionnement continu n'est pas possible dans ces systèmes. Du fait que les systèmes sont en orbite basse, le temps pendant lequel le satellite est dans le champ de vision du consommateur ne dépasse pas une heure. De plus, le temps entre le passage des différents satellites dans la zone de visibilité du consommateur dépend de la latitude géographique à laquelle il se trouve, et peut aller de 35 à 90 minutes. Réduire cet intervalle en augmentant le nombre de satellites est impossible, car tous les satellites émettent des signaux à la même fréquence.

Par conséquent, les systèmes de navigation par satellite de deuxième génération présentent un certain nombre d'inconvénients importants. Tout d’abord, la précision dans la détermination des coordonnées des objets dynamiques est insuffisante. Un autre inconvénient est le manque de continuité dans les mesures.

L'un des principaux problèmes qui se posent lors de la création de systèmes satellitaires fournissant des définitions de navigation pour plusieurs satellites est la synchronisation mutuelle des signaux satellite (échelles de temps) avec la précision requise. Une inadéquation des oscillateurs de référence du satellite de 10 ns entraîne une erreur dans la détermination des coordonnées du consommateur de 10 à 15 m. Le deuxième problème auquel les développeurs ont été confrontés lors de la création de systèmes de navigation par satellite en orbite haute était la détermination et la prévision de haute précision des paramètres orbitaux des satellites. L'équipement récepteur, mesurant les retards des signaux provenant de différents satellites, calcule les coordonnées du consommateur.

À ces fins, en 1967, l'US Navy a développé un programme qui a lancé le satellite TIMATION-I, et en 1969, le satellite TIMATION-II. Des oscillateurs à cristal étaient utilisés à bord de ces satellites. Dans le même temps, l’US Air Force poursuivait simultanément son programme d’utilisation de signaux modulés en pseudo-code de bruit (PRN) à large bande. Les propriétés de corrélation d'un tel code permettent d'utiliser une fréquence de signal pour tous les satellites, avec séparation des codes des signaux provenant de différents satellites. Plus tard, en 1973, les deux programmes furent regroupés en un seul programme commun appelé « Navstar-GPS ». En 1996, le déploiement du système était terminé. Il y a actuellement 28 satellites actifs disponibles.

En URSS, les essais en vol du système de navigation par satellite en orbite haute Glonass ont débuté en 1982 avec le lancement du satellite Cosmos-1413. Le principal développeur et créateur du système dans son ensemble et du segment spatial est NPO Applied Mechanics (Krasnoyarsk) et pour la navigation des engins spatiaux - PO Polet (Omsk). Le principal développeur de complexes d'ingénierie radio est le RNIIKP ; L'Institut russe de radionavigation et d'heure a été désigné comme responsable de la création du complexe temporaire, du système de synchronisation et de l'équipement de navigation pour les consommateurs.

Système de radionavigation par satellite en réseau (RNSS) Glonass

Le système Glonass est conçu pour la navigation opérationnelle globale des objets en mouvement en surface. Le SRNSS a été développé sur ordre du ministère de la Défense. De par sa structure, Glonass, comme le GPS, est considéré comme un système à double action, c'est-à-dire qu'il peut être utilisé à des fins militaires et civiles.

Le système dans son ensemble comprend trois parties fonctionnelles (dans la littérature professionnelle, ces parties sont appelées segments) (Fig. 1).

Figure 1. Segments des systèmes de navigation en orbite haute Glonass et GPS

• le segment spatial, qui comprend la constellation orbitale de satellites artificiels de la Terre (c'est-à-dire les engins spatiaux de navigation) ;
• segment de contrôle, complexe de contrôle au sol (GCU) pour la constellation orbitale d'engins spatiaux ;
• équipement utilisateur du système.

De ces trois parties, la dernière, l'équipement utilisateur, est la plus nombreuse. Le système Glonass est sans demande, le nombre d'utilisateurs du système n'a donc pas d'importance. En plus de la fonction principale - les définitions de navigation - le système permet une synchronisation mutuelle de haute précision des normes de fréquence et de temps sur des objets au sol distants et une référence géodésique mutuelle. De plus, il peut être utilisé pour déterminer l'orientation d'un objet sur la base de mesures prises par quatre récepteurs de signaux satellite de navigation.

Dans le système Glonass, des engins spatiaux de navigation (NSV) tournant sur une orbite géostationnaire circulaire à une altitude d'environ 19 100 km sont utilisés comme station de référence de radionavigation (Fig. 2). La période orbitale du satellite autour de la Terre est en moyenne de 11 heures 45 minutes. La durée de fonctionnement du satellite est de 5 ans, période pendant laquelle les paramètres de son orbite ne doivent pas différer de plus de 5 % des valeurs nominales. Le satellite lui-même est un conteneur hermétique d'un diamètre de 1,35 m et d'une longueur de 7,84 m, à l'intérieur duquel sont placés divers types d'équipements. Tous les systèmes sont alimentés par panneaux solaires. La masse totale du satellite est de 1415 kg. L'équipement embarqué comprend : un émetteur de navigation embarqué, un chronoiseur (horloge), un complexe de contrôle embarqué, un système d'orientation et de stabilisation, etc.

Figure 2. Segment spatial des systèmes GLONASS et GPS

Figure 3. Segment du complexe de contrôle au sol du système Glonass

Figure 4. Segment du complexe de contrôle au sol du système GPS

Le segment complexe de contrôle au sol du système GLONASS remplit les fonctions suivantes :

• éphémérides et prise en charge temps-fréquence ;
• surveillance du champ de radionavigation ;
• surveillance radiotélémétrique des satellites;
• commande et programmation de la radiocommande du satellite.

Pour synchroniser les échelles de temps des différents satellites avec la précision requise, des étalons de fréquence au césium avec une instabilité relative de l'ordre de 10-13 sont utilisés à bord du satellite. Le complexe de contrôle au sol utilise un étalon d'hydrogène avec une instabilité relative de 10-14. De plus, le NKU comprend des moyens pour corriger les échelles de temps des satellites par rapport à l'échelle de référence avec une erreur de 3 à 5 ns.

Le segment sol fournit un support éphéméride aux satellites. Cela signifie que les paramètres de mouvement du satellite sont déterminés au sol et que les valeurs de ces paramètres sont prédites pour une période de temps prédéterminée. Les paramètres et leurs prévisions sont inclus dans le message de navigation transmis par le satellite avec la transmission du signal de navigation. Cela inclut également des corrections temps-fréquence de l’échelle de temps à bord du satellite par rapport à l’heure du système. La mesure et la prévision des paramètres de mouvement du satellite sont effectuées dans le centre balistique du système sur la base des résultats des mesures de trajectoire de la distance au satellite et de sa vitesse radiale.

Système de radionavigation par satellite en réseau GPS

Le système GPS américain a le sien fonctionnalité similaire au système domestique Glonass. Son objectif principal est la détermination de haute précision des coordonnées du consommateur, des composantes du vecteur vitesse et la liaison à l'échelle de temps du système. Semblable au système national, le système GPS a été développé pour le ministère américain de la Défense et est sous son contrôle. Selon le document de contrôle de l'interface, les principaux développeurs du système sont :

• pour le segment spatial - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division ;
• dans le segment de la gestion - IBM, Federal System Company ;
• par segment de consommation - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Comme le système Glonass, le GPS se compose d'un segment spatial, d'un complexe de commande et de mesure au sol et d'un segment grand public.

Comme mentionné ci-dessus, la constellation orbitale GPS se compose de 28 engins spatiaux de navigation. Tous sont sur des orbites circulaires avec une période de révolution autour de la Terre égale à 12 heures. L'altitude orbitale de chaque satellite est d'environ 20 000 km. Les satellites du système GPS ont subi un certain nombre d'améliorations qui ont affecté leurs performances globales. Dans le tableau 1 sont donnés brèves caractéristiques vaisseau spatial utilisé dans le système.

Tableau 1. Caractéristiques des engins spatiaux utilisés dans le système GPS

Tableau 2. Caractéristiques comparatives des systèmes GLONASS et GPS

Lors de la conception d'un système en général et de satellites en particulier, une grande attention est accordée aux questions de fonctionnement autonome. Ainsi, le vaisseau spatial de première génération (Block-I) a fourni travail normal système (c'est-à-dire sans erreurs significatives dans la détermination des coordonnées) sans intervention du segment de contrôle pendant 3 à 4 jours. Dans les appareils Block-II, cette période a été portée à 14 jours. Dans la nouvelle modification du NKA, Block-IIR permet un fonctionnement autonome pendant 180 jours sans ajuster les paramètres orbitaux depuis le sol, en utilisant uniquement un complexe de synchronisation mutuelle autonome par satellite. Les dispositifs Block-IIF sont destinés à être utilisés pour remplacer les Block-IIR usagés.

Structure des signaux radio de navigation du système Glonass

Le système Glonass utilise des signaux MA par répartition en fréquence (FDMA) émis par chaque satellite - deux signaux à déphasage. La fréquence du premier signal est comprise entre L1 et 1 600 MHz et la fréquence du second est comprise entre L2 et 1 250 MHz. Les valeurs nominales des fréquences de fonctionnement des signaux radio transmis dans les bandes L1 et L2 sont déterminées par l'expression :

f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)

où k = 0,1,...,24 - nombres de lettres (canaux) des fréquences de fonctionnement des satellites ;

f1 = 1602 MHz ; D f 1 = 9/16 = 0,5625 MHz ;
f2 = 1246 MHz ; D f 2 = 7/16 = 0,4375 MHz.

Pour chaque satellite, les fréquences de fonctionnement des signaux dans les gammes L1 et L2 sont cohérentes et sont constituées d'un seul étalon de fréquence. Le rapport des fréquences porteuses d'exploitation de chaque satellite est :

D f k1 / D f k2 = 7/9.

La valeur de fréquence nominale du générateur embarqué, du point de vue d'un observateur situé à la surface de la Terre, est de 5,0 MHz.

Dans la gamme L1, chaque satellite du système Glonass émet 2 porteuses à la même fréquence, décalées l'une par rapport à l'autre en phase de 90º (Fig. 5).

Figure 5. Diagramme vectoriel des signaux porteurs des systèmes GLONASS et GPS

L'une des porteuses subit un déphasage de 180º. Le signal modulant est obtenu en additionnant modulo 2 trois signaux binaires (Fig. 6) :

• un code télémétrique approximatif transmis à une vitesse de 511 Kbit/s (Fig. 6c) ;
• des séquences de données de navigation transmises à une vitesse de 50 bit/s (Fig. 6a) ;
• oscillation en méandre transmise à une vitesse de 100 bit/s (Fig. 6b).

Figure 6. Structure du signal GLONASS

Le signal dans la plage L1 (similaire au code C/A du GPS) est disponible pour tous les consommateurs dans la plage de visibilité du vaisseau spatial. Le signal dans la bande L2 est destiné à des fins militaires et sa structure n'est pas divulguée.

Composition et structure des messages de navigation des satellites du système Glonass

Le message de navigation se présente sous la forme de lignes qui se suivent en continu, chacune durant 2 secondes. La première partie de la ligne (intervalle de 1,7 s) contient les données de navigation et la seconde (0,3 s) contient l'horodatage. Il s'agit d'une séquence pseudo-aléatoire raccourcie composée de 30 caractères avec une fréquence d'horloge de 100 bps.

Les messages de navigation des satellites du système Glonass sont nécessaires aux consommateurs pour les déterminations de navigation et la planification des sessions de communication avec les satellites. En fonction de leur contenu, les messages de navigation sont divisés en informations opérationnelles et non opérationnelles.

Les informations opérationnelles font référence au satellite dont le signal a été reçu. Les informations opérationnelles comprennent :

• numérisation des horodatages;
• différence relative entre la fréquence porteuse du satellite et la valeur nominale ;
• informations sur les éphémérides.

Le timing des informations sur les éphémérides et les corrections temps-fréquence, qui ont une multiplicité d'une demi-heure à partir du début de la journée, permettent de déterminer avec précision coordonnées géographiques et la vitesse du satellite.

Les informations non opérationnelles contiennent un almanach, comprenant :

• des données sur l'état de tous les satellites du système ;
• décalage de l'échelle de temps du satellite par rapport à l'échelle du système ;
• paramètres orbitaux de tous les satellites du système ;
• correction de l’échelle de temps du système Glonass.

Le choix de la «constellation» optimale des engins spatiaux et la prévision du décalage Doppler de la fréquence porteuse sont assurés par l'analyse de l'almanach du système.

Les messages de navigation des satellites du système Glonass sont structurés sous forme de supertrames d'une durée de 2,5 minutes. Une supertrame se compose de cinq images d'une durée de 30 s. Chaque image contient 15 lignes d'une durée de 2 s. Sur la durée de ligne de 2 s, la dernière 0,3 s est occupée par l'horodatage. Le reste de la ligne contient 85 caractères d'informations numériques transmises à une fréquence de 50 Hz.

Chaque trame contient la totalité des informations opérationnelles et une partie de l'almanach du système. L'almanach complet est contenu dans l'intégralité de la supertrame. Dans ce cas, les informations de supertrame contenues dans les lignes 1 à 4 font référence au satellite d'où elles proviennent (partie opérationnelle) et ne changent pas au sein de la supertrame.

Structure des signaux radio de navigation GPS

Le système GPS utilise la division de code MA (CDMA), de sorte que tous les satellites émettent des signaux avec même fréquence. Chaque satellite GPS émet deux signaux à déphasage. La fréquence du premier signal est L1 = 1575,42 MHz et celle du second est L2 = 1227,6 MHz. Le signal de fréquence porteuse L1 est modulé par deux séquences binaires, dont chacune est formée en sommant modulo 2 le code télémétrique et les données système et de navigation transmises, générées à une vitesse de 50 bit/s. A la fréquence L1, deux composantes en quadrature sont transmises, manipulées de manière biphasique par des séquences binaires. La première séquence est la somme modulo 2 du code télémétrique précis P ou du code classifié Y et des données de navigation. La deuxième séquence est également la somme modulo 2 du code brut C/A (ouvert) et de la même séquence de données de navigation.

Le signal radio L2 est manipulé de manière biphasique par une seule des deux séquences évoquées précédemment. La sélection de la séquence modulante s'effectue par commande depuis la Terre.

Chaque satellite utilise des codes télémétriques C/A et P(Y) qui lui sont propres, ce qui permet de séparer les signaux satellite. Lors du processus de formation d'un code P(Y) de télémétrie précis, des horodatages du signal satellite sont simultanément formés.

Composition et structure des messages de navigation des satellites GPS

La division structurelle des informations de navigation provenant des satellites GPS est réalisée en supertrames, trames, sous-trames et mots. Une supertrame est formée de 25 images et dure 750 s (12,5 min). Une trame est transmise en 30 s et a une taille de 1 500 bits. La trame est divisée en 5 sous-trames de 300 bits chacune et est transmise dans un intervalle de 6 s. Le début de chaque sous-trame indique un horodatage correspondant au début/fin du prochain intervalle de temps du système GPS de 6 secondes. Une sous-trame est constituée de 10 mots de 30 bits. Dans chaque mot, les 6 bits de poids faible sont des bits de contrôle.

Dans les 1ère, 2ème et 3ème sous-trames, des données sur les paramètres de correction d'horloge et des données d'éphémérides de l'engin spatial avec lequel la communication est établie sont transmises. Le contenu et la structure de ces sous-trames restent les mêmes sur toutes les pages de la supertrame. Les 4ème et 5ème sous-trames contiennent des informations sur la configuration et l'état de tous les engins spatiaux du système, des almanachs d'engins spatiaux, des messages spéciaux, des paramètres décrivant la relation entre l'heure GPS et UTC, etc.

Algorithmes de réception et de mesure des paramètres des signaux de radionavigation par satellite

Le segment grand public des systèmes GPS et GLONASS comprend les récepteurs de signaux satellite. En mesurant les paramètres de ces signaux, le problème de navigation est résolu. Le récepteur peut être divisé en trois parties fonctionnelles :

• partie radiofréquence;
• corrélateur numérique;
• Processeur.

A partir de la sortie du dispositif d'alimentation d'antenne (antenne), le signal va à la partie radiofréquence (Fig. 7). La tâche principale de cette partie est d'amplifier le signal d'entrée, le filtrage, la conversion de fréquence et la conversion analogique-numérique. De plus, la fréquence d'horloge de la partie numérique du récepteur provient de la partie radiofréquence du récepteur. À partir de la sortie de la partie radiofréquence, des échantillons numériques du signal d'entrée sont envoyés à l'entrée du corrélateur numérique.

Figure 7. Structure généralisée du récepteur

Dans le corrélateur, le spectre du signal est transféré à la fréquence « zéro ». Cela se fait en multipliant le signal d'entrée du corrélateur par une oscillation harmonique de référence dans les canaux en phase et en quadrature. Ensuite, le résultat de la multiplication subit un traitement de corrélation par multiplication avec le code télémétrique de référence et accumulation sur la période du code télémétrique. En conséquence, nous obtenons les intégrales de corrélation I et Q. Les lectures des intégrales de corrélation sont envoyées au processeur pour un traitement ultérieur et la fermeture des boucles PLL (boucle à verrouillage de phase) et DLL (circuit de suivi de retard). Les mesures des paramètres du signal dans le récepteur ne sont pas effectuées directement à partir du signal d'entrée, mais à partir de sa copie exacte générée par les systèmes phase-array et CVD. Les intégrales de corrélation I et Q permettent d'évaluer le degré de « similarité » (corrélation) des signaux de référence et d'entrée. La tâche du corrélateur, en plus de former les intégrales I et Q, est de former un signal de référence conformément aux actions de contrôle (codes de contrôle) provenant du processeur. De plus, dans certains récepteurs, le corrélateur génère les mesures nécessaires des signaux de référence et les transmet au processeur pour un traitement ultérieur. En même temps, étant donné que les signaux de référence dans le corrélateur sont formés à l'aide de codes de contrôle provenant du processeur, les mesures nécessaires des signaux de référence peuvent être effectuées directement dans le processeur, en traitant les codes de contrôle en conséquence, ce qui est le cas dans de nombreux cas. récepteurs modernes.

Quels paramètres de signal sont mesurés par le corrélateur (processeur) ?

La portée des mesures radiotechniques est caractérisée par le temps de propagation du signal de l'objet à mesurer au point de mesure. Dans les systèmes de navigation GPS/GLONASS, l'émission des signaux est synchronisée avec l'échelle de temps du système, ou plus précisément, avec l'échelle de temps du satellite émettant ce signal. Dans le même temps, le consommateur dispose d'informations sur l'écart entre l'échelle de temps du satellite et celle du système. Les informations numériques transmises depuis le satellite permettent d'établir le moment d'émission d'un certain fragment du signal (horodatage) par le satellite en temps système. Le moment de réception de ce fragment est déterminé par l'échelle de temps du récepteur. L'échelle de temps du récepteur (consommateur) est formée à l'aide d'étalons de fréquence à quartz, il y a donc un « décalage » constant de l'échelle de temps du récepteur par rapport à l'échelle de temps du système. La différence entre l’instant de réception d’un fragment de signal, mesuré à l’échelle de temps du récepteur, et l’instant d’émission par son satellite, mesuré à l’échelle du satellite, multiplié par la vitesse de la lumière, est appelée pseudoportée. Pourquoi une pseudo-gamme ? Parce qu’elle diffère de la portée réelle d’une quantité égale au produit de la vitesse de la lumière et du « décalage » de l’échelle de temps du récepteur par rapport à l’échelle de temps du système. Lors de la résolution d'un problème de navigation, ce paramètre est déterminé ainsi que les coordonnées du consommateur (récepteur).

Les intégrales de corrélation formées dans le corrélateur permettent de suivre la modulation du signal satellite par des symboles d'information et de calculer l'horodatage dans le signal d'entrée. Les horodatages se succèdent à intervalles de 6 s pour le GPS et de 2 s pour le GLONASS et forment une sorte d'échelle de 6 (2) secondes. Au sein d'une division de cette échelle, les périodes du code télémétrique forment une échelle de 1 ms. Une milliseconde est divisée, à son tour, en éléments individuels(puces, dans la terminologie GPS) : pour GPS - 1023, pour GLONASS - 511. Ainsi, les éléments du code télémétrique permettent de déterminer la portée du satellite avec une erreur de ~ 300 m. Pour une détermination plus précise, vous. besoin de connaître la phase du générateur de code télémétrique. Les circuits de construction des oscillateurs de référence du corrélateur permettent de déterminer sa phase avec une précision allant jusqu'à 0,01 période, soit une précision de détermination de la pseudo-portée de 3 m.

Sur la base des mesures des paramètres de l'oscillation harmonique de référence générée par le système de verrouillage de phase, la fréquence et la phase de l'oscillation de la porteuse du satellite sont déterminées. Son écart par rapport à la valeur nominale donnera un décalage de fréquence Doppler, qui permet d'estimer la vitesse du consommateur par rapport au satellite. De plus, les mesures de phase de la porteuse permettent de préciser la portée du satellite avec une erreur de plusieurs mm.

Pour déterminer les coordonnées du consommateur, il est nécessaire de connaître les coordonnées des satellites (au moins 4) et la distance du consommateur à chaque satellite visible. Afin que le consommateur puisse déterminer les coordonnées des satellites, les signaux de navigation émis par ceux-ci sont modélisés par des messages sur les paramètres de leur mouvement. Dans l'équipement grand public, ces messages sont isolés et les coordonnées des satellites sont déterminées à l'instant souhaité.

Les coordonnées et les composantes du vecteur vitesse changent très rapidement, de sorte que les messages sur les paramètres du mouvement des satellites contiennent des informations non pas sur leurs coordonnées et les composantes du vecteur vitesse, mais des informations sur les paramètres d'un modèle qui se rapproche de la trajectoire du vaisseau spatial. sur un intervalle de temps assez long (environ 30 minutes). Les paramètres du modèle d'approximation changent assez lentement et peuvent être considérés comme constants sur l'intervalle d'approximation.

Les paramètres du modèle approximatif sont inclus dans les messages de navigation par satellite. Le système GPS utilise le modèle de mouvement képlérien avec des éléments osculateurs. Dans ce cas, la trajectoire de vol de l'engin spatial est divisée en sections d'approximation d'une durée d'une heure. Au centre de chaque section, un instant nodal est fixé dont la valeur est communiquée au consommateur d'informations de navigation. De plus, le consommateur est informé des paramètres du modèle des éléments osculateurs au moment nodal, ainsi que des paramètres des fonctions qui rapprochent les changements des paramètres du modèle des éléments osculateurs dans le temps précédant le élément nodal et le suivant.

Dans l'équipement grand public, un intervalle de temps est alloué entre l'instant où il est nécessaire de déterminer la position du satellite et l'instant nodal. Ensuite, à l'aide des fonctions d'approximation et de leurs paramètres extraits du message de navigation, les valeurs des paramètres du modèle des éléments osculateurs à l'instant souhaité sont calculées. Lors de la dernière étape, à l’aide des formules habituelles du modèle képlérien, les coordonnées et composantes du vecteur vitesse du satellite sont déterminées.

Le système Glonass utilise des modèles de mouvements différentiels pour déterminer la position exacte du satellite. Dans ces modèles, les coordonnées et composantes du vecteur vitesse du satellite sont déterminées par intégration numérique des équations différentielles du mouvement de l'engin spatial, en tenant compte d'un nombre fini de forces agissant sur l'engin spatial. Les conditions initiales d’intégration sont fixées à l’instant nodal, situé au milieu de l’intervalle d’approximation.

Comme mentionné ci-dessus, pour déterminer les coordonnées du consommateur, il est nécessaire de connaître les coordonnées des satellites (au moins 4) et la distance du consommateur à chaque satellite visible, qui est déterminée dans le récepteur de navigation avec une précision d'environ 1 m. Pour plus de commodité, considérons le cas « plat » le plus simple illustré à la Fig. 8.

Figure 8. Détermination des coordonnées du consommateur

Chaque satellite (Fig. 8) peut être représenté comme un émetteur ponctuel. Dans ce cas, le front de l’onde électromagnétique sera sphérique. Le point d’intersection des deux sphères sera celui où se situe le consommateur.

L'altitude des orbites des satellites est d'environ 20 000 km. Par conséquent, le deuxième point d'intersection des cercles peut être écarté en raison d'une information a priori, puisqu'il est situé loin dans l'espace.

Mode différentiel

Les systèmes de navigation par satellite permettent au consommateur d'obtenir des coordonnées avec une précision d'environ 10 à 15 m. Cependant, pour de nombreuses tâches, notamment pour la navigation dans les villes, une plus grande précision est requise. L'une des principales méthodes pour augmenter la précision de la détermination de la localisation d'un objet repose sur l'utilisation du principe des mesures de navigation différentielles, bien connu en radionavigation.

Le mode Differential DGPS (Differential GPS) vous permet de définir des coordonnées avec une précision allant jusqu'à 3 m en situation de navigation dynamique et jusqu'à 1 m en conditions stationnaires. Le mode différentiel est mis en œuvre à l'aide d'un récepteur de contrôle GPS appelé station de référence. Il est situé en un point dont les coordonnées sont connues, dans la même zone que le récepteur GPS principal. En comparant les coordonnées connues (obtenues grâce à un levé géodésique de précision) avec celles mesurées, la station de référence calcule les corrections qui sont transmises aux consommateurs via un canal radio dans un format prédéterminé.

L'équipement consommateur reçoit des corrections différentielles de la station de référence et en tient compte lors de la détermination de la localisation du consommateur.

Les résultats obtenus par la méthode différentielle dépendent largement de la distance entre l'objet et la station de référence. L'utilisation de cette méthode est plus efficace lorsque les erreurs systématiques provoquées par des causes externes (par rapport au récepteur) sont prédominantes. D'après les données expérimentales, il est recommandé de localiser la station de référence à pas plus de 500 km de l'objet.

Il existe actuellement de nombreux systèmes différentiels étendus, régionaux et locaux.

En tant que systèmes à grande échelle, il convient de noter des systèmes tels que le WAAS américain, l'EGNOS européen et le MSAS japonais. Ces systèmes utilisent des satellites géostationnaires pour transmettre les corrections à tous les consommateurs dans leur zone de couverture.

Les systèmes régionaux sont conçus pour fournir une assistance à la navigation pour des zones individuelles de la surface terrestre. En règle générale, les systèmes régionaux sont utilisés dans les grandes villes, sur les voies de transport et les rivières navigables, dans les ports et le long des côtes des mers et des océans. Diamètre de la zone de travail système régional varie généralement de 500 à 2000 km. Il peut comprendre une ou plusieurs stations de référence.

Systèmes locaux ont une portée maximale de 50 à 220 km. Ils comprennent généralement un station de base. Les systèmes locaux sont généralement divisés selon la méthode de leur application : stations différentielles locales marines, aéronautiques et géodésiques.

Développement de la navigation par satellite

L'orientation générale de la modernisation des systèmes satellitaires GPS et Glonass est associée à l'augmentation de la précision des définitions de navigation, à l'amélioration du service fourni aux utilisateurs, à l'augmentation de la durée de vie et de la fiabilité des équipements satellitaires embarqués, à l'amélioration de la compatibilité avec d'autres systèmes radio et le développement de sous-systèmes différentiels. L'orientation générale du développement des systèmes GPS et Glonass coïncide, mais la dynamique et les résultats obtenus sont très différents.

L'amélioration du système GLONASS devrait être réalisée sur la base des satellites GLONASS-M de nouvelle génération. Ce satellite disposera d'une ressource de service accrue et émettra un signal de navigation dans la bande L2 pour les applications civiles.

Une décision similaire a été prise aux États-Unis, où le 5 janvier 1999, il a été annoncé que 400 millions de dollars seraient alloués à la modernisation du système GPS associé à la transmission du code C/A à la fréquence L2 (1 222,7 MHz) et l'introduction d'une troisième porteuse L3 (1 176, 45 MHz) sur les engins spatiaux qui seront lancés à partir de 2005. Le signal sur la fréquence L2 est destiné à être utilisé pour des besoins civils non directement liés au danger pour la vie humaine. Il est proposé de commencer à mettre en œuvre cette décision en 2003. Il a été décidé d'utiliser le troisième signal civil sur la fréquence L3 pour les besoins de l'aviation civile.

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