Glonass vs GPS. Sisteme de satelit GPS și Glonass: care este diferența și ce este mai bun

Navigația prin satelit este folosită de șoferi, bicicliști, turiști – chiar și alergătorii de dimineață își urmăresc traseul folosind sateliți. În loc să-i întrebe pe trecători cum să găsească casa potrivită, cei mai mulți preferă să scoată un smartphone și să pună această întrebare către GLONASS sau GPS. Deşi modulele navigație prin satelit instalat în fiecare smartphone și în majoritatea ceasurilor sport, doar o persoană din zece înțelege cum funcționează acest sistem și cum să-l găsească pe cel potrivit într-o mare de dispozitive cu funcții GPS/GLONASS.

Cum funcționează un sistem de navigație prin satelit?

Abrevierea GPS înseamnă Global Positioning System: „sistem de poziționare globală”, dacă este tradusă literal. Ideea de a folosi sateliți pe orbita joasă a Pământului pentru a determina coordonatele obiectelor terestre a apărut în anii 1950, imediat după ce Uniunea Sovietică a lansat primul satelit artificial. Oamenii de știință americani au monitorizat semnalul satelitului și au descoperit că frecvența acestuia se schimbă atunci când satelitul se apropie sau se îndepărtează. Prin urmare, cunoscându-ți coordonatele exacte pe Pământ, poți calcula locația exactă a satelitului. Această observație a dat un impuls dezvoltării unui sistem global de calcul al coordonatelor.

Inițial, marina a devenit interesată de descoperire - laboratorul naval a început dezvoltarea, dar în timp s-a decis să se creeze sistem unificat pentru toate forțele armate. Primul satelit GPS a fost lansat pe orbită în 1978. În prezent, aproximativ treizeci de sateliți transmit semnale. Când sistemul de navigație a început să funcționeze, departamentele militare americane au făcut un cadou tuturor locuitorilor planetei - au deschis accesul gratuit la sateliți, pentru ca toată lumea să poată folosi gratuit Sistemul de poziționare globală, atâta timp cât avea un receptor.

În urma americanilor, Roscosmos și-a creat propriul sistem: primul satelit GLONASS a intrat pe orbită în 1982. GLONASS este un sistem global de navigație prin satelit care funcționează pe același principiu ca și cel american. În prezent există 24 de sateliți ruși pe orbită care asigură coordonarea.

Pentru a utiliza unul dintre sisteme, sau mai bine zis, două în același timp, aveți nevoie de un receptor care va primi semnale de la sateliți, precum și de un computer pentru a descifra aceste semnale: locația obiectului este calculată pe baza intervalelor dintre semnalele primite. Precizia calculului este de plus sau minus 5 m.

Cu cât un dispozitiv „vede” mai mulți sateliți, cu atât poate oferi mai multe informații. Pentru a determina coordonatele, navigatorul trebuie să vadă doar doi sateliți, dar dacă găsește direcția a cel puțin patru sateliți, dispozitivul va putea raporta, de exemplu, viteza de mișcare a obiectului. Prin urmare, dispozitivele moderne de navigație citesc din ce în ce mai mulți parametri:

• Coordonatele geografice ale obiectului.
• Viteza mișcării lui.
• Altitudinea deasupra nivelului mării.

Ce erori pot apărea în funcționarea GPS/GLONASS?

Navigația prin satelit este bună, deoarece este disponibilă non-stop de oriunde de pe planetă. Oriunde v-ați afla, dacă aveți un receptor, puteți determina coordonatele și puteți construi o rută. Cu toate acestea, în practică, semnalul satelitului poate fi blocat de obstacole fizice sau dezastre meteorologice: dacă treceți printr-un tunel subteran și există și o furtună deasupra, este posibil ca semnalul să nu „atingă” receptorul.

Această problemă a fost rezolvată folosind tehnologia A-GPS: se presupune că receptorul accesează serverul prin canale de comunicare alternative. Aceasta, la rândul său, utilizează datele primite de la sateliți. Datorită acestui lucru, puteți utiliza sistemul de navigație în încăperi, tuneluri și pe vreme rea. Tehnologia A-GPS este concepută pentru smartphone-uri și alte dispozitive personale, așa că atunci când alegeți un navigator sau un smartphone, verificați dacă acesta acceptă acest standard. Astfel poți fi sigur că dispozitivul nu se va defecta într-un moment crucial.

Proprietarii de smartphone-uri se plâng uneori că navigatorul nu funcționează cu acuratețe sau se „oprește” periodic și nu determină coordonatele. De regulă, acest lucru se datorează faptului că la majoritatea smartphone-urilor funcția GPS/GLONASS este dezactivată implicit. Aparatul folosește turnuri celulare sau internet wireless. Problema poate fi rezolvată prin configurarea smartphone-ului și activarea metodei dorite pentru determinarea coordonatelor. De asemenea, poate fi necesar să calibrați busola sau să vă resetați navigatorul.

Tipuri de navigatori

• Automobile. Un sistem de navigație bazat pe sateliți GLONASS sau analogii lor americani poate face parte din computerul de bord al unei mașini, dar mai des cumpără dispozitive separate. Ele nu numai că determină coordonatele mașinii și vă permit să ajungeți cu ușurință de la punctul A la punctul B, dar și vă protejează împotriva furtului. Chiar dacă infractorii fură o mașină, aceasta poate fi urmărită folosind un far. Un alt avantaj al dispozitivelor speciale pentru mașini este că prevăd instalarea unei antene - datorită antenei, puteți întări semnalul GLONASS.
• Turist. Dacă puteți instala un set special de hărți într-un navigator de mașină, atunci cerințele mai stricte sunt impuse dispozitivelor de călătorie: modelele moderne permit utilizarea unui set extins de hărți. Cu toate acestea, cel mai simplu dispozitiv turistic este doar un receptor de semnal cu un simplu computer. Este posibil să nu marcheze nici măcar coordonatele pe hartă, caz în care va fi necesară o hartă de hârtie cu o grilă de navigare. Cu toate acestea, acum astfel de dispozitive sunt cumpărate doar din motive de economie.
• Smartphone-uri, tablete cu receptor GPS/GLONASS. Smartphone-urile vă permit, de asemenea, să descărcați un set extins de hărți. Pot fi folosite ca navigatori auto și turistice, principalul lucru este să instalați aplicația și să descărcați hărțile necesare. Multe dintre programele utile de navigare sunt gratuite, dar unele necesită o taxă mică.

Programe de navigare pentru smartphone-uri

Una dintre cele mai multe programe simple, conceput pentru cei care nu doresc să se adâncească în funcționalitatea: MapsWithMe. Vă permite să descărcați o hartă a regiunii dorite din rețea și apoi să o utilizați chiar dacă nu există conexiune la internet. Programul va afișa locația pe hartă, va găsi obiecte marcate pe această hartă - le puteți salva ca marcaje și le puteți utiliza mai târziu căutare rapidă. Aici se termină funcționalitatea. Programul folosește doar hărți vectoriale - alte formate nu pot fi încărcate.

Proprietarii de dispozitive Android pot folosi programul OsmAnd. Este potrivit pentru șoferi și pietoni, deoarece vă permite să trasați automat un traseu de-a lungul drumurilor sau potecilor montane. Navigatorul GLONASS vă va ghida pe traseu folosind comenzi vocale. Pe lângă hărțile vectoriale, puteți utiliza hărți raster, precum și să marcați puncte de referință și să înregistrați trasee.

Cea mai apropiată alternativă la OsmAnd este aplicația Locus Map. Este potrivit pentru turiștii pietoni, deoarece seamănă cu un clasic dispozitiv de navigare pentru turiști, care erau în uz înainte de apariția smartphone-urilor. Utilizează atât hărți vectoriale, cât și hărți raster.

Dispozitive de călătorie

Smartphone-urile și tabletele pot înlocui un dispozitiv GPS/GLONASS dedicat turismului, dar această soluție are dezavantajele ei. Pe de o parte, dacă aveți un smartphone, nu trebuie să cumpărați niciun dispozitiv suplimentar. Este ușor să lucrați cu harta pe un ecran mare, luminos, iar alegerea aplicațiilor este largă - am indicat doar câteva programe, este imposibil să acoperim toate ofertele. Dar smartphone-ul are și dezavantaje:

• Se descarcă rapid. În medie, dispozitivul funcționează timp de o zi, iar în modul de căutare constantă a coordonatelor - chiar mai puțin.
• Necesită o manipulare atentă. Desigur, există smartphone-uri securizate, dar pe lângă faptul că sunt scumpe, fiabilitatea unui astfel de smartphone încă nu poate fi comparată cu un dispozitiv turistic special GLONASS. Poate fi complet impermeabil.

Pentru drumețiile de mai multe zile în sălbăticie au fost dezvoltate dispozitive specializate, în carcase impermeabile și cu baterii puternice. Cu toate acestea, atunci când alegeți un astfel de dispozitiv, este important să vă asigurați că acesta acceptă atât hărți vectoriale, cât și hărți raster. O hartă raster este o imagine legată de coordonate. Puteți lua o hartă pe hârtie, o scanați, o puteți conecta cu coordonatele GLONASS - și obțineți o hartă raster. Hărțile vectoriale nu sunt o imagine, ci un set de obiecte pe care programul le plasează pe imagine. Sistemul vă permite să efectuați o căutare după obiecte, dar este dificil să creați singur o astfel de diagramă.

Sisteme de navigație prin satelit GLONASS și GPS. Partea 1

E. Povalyaev, S. Khutornoy

Sisteme de navigație prin satelit GLONASS și GPS. Partea 1

Vă aducem în atenție o serie de articole dedicate sistemelor de radionavigație prin satelit Glonass (sistem global de navigație prin satelit) și GPS (Global Positioning System). Primul articol din serie discută construcția și funcționarea sistemelor, structura și funcțiile echipamentelor de consum (receptoare), algoritmi pentru rezolvarea problemei de navigație și perspectivele de dezvoltare a sistemelor.

Din cele mai vechi timpuri, călătorii s-au întrebat: cum să-și determine locația pe Pământ? Navigatorii antici erau ghidați de stele, indicând direcția de deplasare: cunoscând viteza medie și timpul de călătorie, era posibil să se navigheze în spațiu și să se determine distanța până la destinația finală. Cu toate acestea, condițiile meteorologice nu au fost întotdeauna în favoarea cercetătorilor, așa că nu a fost dificil să pierzi cursul. Odată cu apariția busolei, sarcina a devenit semnificativ mai ușoară. Călătorul era deja mai puțin dependent de vreme.

Era radio a deschis noi oportunități pentru oameni. Odată cu apariția stațiilor radar, când a devenit posibil să se măsoare parametrii de mișcare și locația relativă a unui obiect dintr-un fascicul radar reflectat de suprafața sa, a apărut întrebarea despre posibilitatea de a măsura parametrii de mișcare ai unui obiect din semnalul emis. În 1957, în URSS, un grup de oameni de știință condus de V.A. Kotelnikova a confirmat experimental posibilitatea de a determina parametrii de mișcare ai unui satelit artificial de Pământ (AES) pe baza rezultatelor măsurătorilor deplasării de frecvență Doppler a semnalului emis de acest satelit. Dar, cel mai important, a fost stabilită posibilitatea de a rezolva problema inversă - găsirea coordonatelor receptorului din deplasarea Doppler măsurată a semnalului emis de satelit, dacă sunt cunoscuți parametrii de mișcare și coordonatele acestui satelit. Când se deplasează pe orbită, satelitul emite un semnal de o anumită frecvență, a cărui valoare nominală este cunoscută la capătul receptor (consumator). Poziția satelitului în fiecare moment este cunoscută mai precis, poate fi calculată pe baza informațiilor conținute în semnalul satelitului. Utilizatorul, măsurând frecvența semnalului care ajunge la el, îl compară cu cel de referință și calculează astfel deplasarea de frecvență Doppler datorită mișcării satelitului. Măsurătorile sunt efectuate continuu, ceea ce permite construirea unui fel de funcție de schimbare a frecvenței Doppler. La un anumit moment în timp, frecvența devine zero și apoi își schimbă semnul. În momentul în care frecvența Doppler este egală cu zero, consumatorul se află pe o linie care este normală cu vectorul de mișcare al satelitului. Folosind dependența pantei curbei de frecvență Doppler de distanța dintre consumator și satelit și măsurând momentul în care frecvența Doppler este zero, este posibil să se calculeze coordonatele consumatorului.

Astfel, satelitul artificial Pământului devine o stație de referință de radionavigație, ale cărei coordonate se modifică în timp datorită mișcării orbitale a satelitului, dar poate fi calculată în avans pentru orice moment în timp datorită informațiilor efemeride încorporate în semnalul de navigație al satelitului.

În 1958–1959 la Academia de Inginerie a Forțelor Aeriene din Leningrad (LVVIA) numită după. A.F. Mozhaisky, Institutul de Astronomie Teoretică al Academiei de Științe a URSS, Institutul de Electromecanică al Academiei de Științe a URSS, două institute de cercetare maritimă și Institutul de Cercetare Științifică de Științe Fizice Gorki au efectuat cercetări pe tema „Sputnik”, care mai târziu a devenit baza pentru construcția primului sistem intern de navigație prin satelit pe orbită joasă „Cicada”. Și în 1963, au început lucrările la construirea acestui sistem. În 1967, primul satelit intern de navigație, Kosmos-192, a fost lansat pe orbită. O trăsătură caracteristică a sistemelor de radionavigație prin satelit de prima generație este utilizarea sateliților pe orbită joasă și utilizarea unui singur semnal vizibil în aer pentru a măsura parametrii de navigație ai unui obiect. în acest moment satelit Ulterior, sateliții sistemului „Cicada” au fost echipați cu echipamente de recepție pentru detectarea obiectelor aflate în primejdie.

În paralel cu aceasta, după lansarea cu succes a primului satelit artificial de pământ de către URSS, în SUA, la Laboratorul de Fizică Aplicată al Universității Johns Hopkins, se lucrează în legătură cu posibilitatea de măsurare a parametrilor semnalului emis. prin satelit. Pe baza măsurătorilor, se calculează parametrii mișcării satelitului în raport cu punctul de observare la sol. Rezolvarea problemei inverse este o chestiune de timp.

Pe baza acestor studii, în 1964 a fost creat în SUA sistemul de radionavigație prin satelit Doppler „Transit” de prima generație. Scopul său principal este suportul de navigație pentru lansarea rachetelor balistice Polaris din submarine. Directorul Laboratorului de Fizică Aplicată, R. Kershner, este considerat părintele sistemului. Sistemul a devenit disponibil pentru utilizare comercială în 1967. La fel ca în sistemul Cicada, în sistemul Tranzit coordonatele sursei sunt calculate din deplasarea în frecvență Doppler a semnalului de la unul dintre cei 7 sateliți vizibili. Sistemele de satelit au orbite polare circulare cu o înălțime deasupra suprafeței Pământului de ~ 1100 km, perioada orbitală a sateliților Tranzit este de 107 minute. Precizia calculării coordonatelor sursei în sistemele de prima generație depinde în mare măsură de eroarea în determinarea vitezei sursei. Deci, dacă viteza unui obiect este determinată cu o eroare de 0,5 m, atunci aceasta, la rândul său, va duce la o eroare în determinarea coordonatelor de ~ 500 m Pentru un obiect staționar, această valoare scade la 50 m.

În plus, funcționarea continuă nu este posibilă în aceste sisteme. Datorită faptului că sistemele sunt pe orbită joasă, timpul în care satelitul se află în câmpul vizual al consumatorului nu depășește o oră. În plus, timpul dintre trecerea diferiților sateliți în zona de vizibilitate a consumatorului depinde de latitudinea geografică la care se află și poate varia de la 35 la 90 de minute. Reducerea acestui interval prin creșterea numărului de sateliți este imposibilă, deoarece toți sateliții emit semnale la aceeași frecvență.

În consecință, sistemele de navigație prin satelit de a doua generație prezintă o serie de dezavantaje semnificative. În primul rând, nu există o acuratețe insuficientă în determinarea coordonatelor obiectelor dinamice. Un alt dezavantaj este lipsa continuității măsurătorilor.

Una dintre principalele probleme care apar la crearea sistemelor de satelit care oferă definiții de navigație pentru mai mulți sateliți este sincronizarea reciprocă a semnalelor satelitului (scale de timp) cu precizia necesară. O nepotrivire a oscilatorilor de referință prin satelit cu 10 ns duce la o eroare în determinarea coordonatelor consumatorului de 10–15 m. A doua problemă cu care s-au confruntat dezvoltatorii la crearea sistemelor de navigație prin satelit pe orbită înaltă a fost determinarea și predicția de înaltă precizie a parametrilor orbitali ai satelitului. Echipamentul receptor, care măsoară întârzierile semnalelor de la diferiți sateliți, calculează coordonatele consumatorului.

În aceste scopuri, în 1967, Marina SUA a dezvoltat un program care a lansat satelitul TIMATION-I, iar în 1969, satelitul TIMATION-II. La bordul acestor sateliți au fost folosiți oscilatori de cristal. În același timp, Forțele Aeriene ale SUA își continuau simultan programul de a utiliza semnale modulate de pseudo-zgomot în bandă largă (PRN). Proprietățile de corelare ale unui astfel de cod fac posibilă utilizarea unei frecvențe de semnal pentru toți sateliții, cu separarea codului a semnalelor de la diferiți sateliți. Mai târziu, în 1973, cele două programe au fost combinate într-un singur program comun numit „Navstar-GPS”. Până în 1996, implementarea sistemului a fost finalizată. În prezent, sunt disponibili 28 de sateliți activi.

În URSS, testele de zbor ale sistemului de navigație prin satelit pe orbită înaltă Glonass au început în 1982 odată cu lansarea satelitului Cosmos-1413. Principalul dezvoltator și creator pentru sistem în ansamblu și pentru segmentul spațial este NPO Applied Mechanics (Krasnoyarsk), iar pentru nave spațiale de navigație - PO Polet (Omsk). Principalul dezvoltator al complexelor de inginerie radio este RNIIKP; Institutul Rus de Radio Navigație și Timp a fost desemnat ca responsabil pentru crearea complexului temporar, a sistemului de sincronizare și a echipamentelor de navigație pentru consumatori.

Sistem de radionavigație prin satelit de rețea (RNSS) Glonass

Sistemul Glonass este proiectat pentru navigarea operațională globală a obiectelor aflate în mișcare la suprafață. SRNSS a fost elaborat prin ordin al Ministerului Apărării. Prin structura sa, Glonass, ca și GPS-ul, este considerat un sistem cu acțiune dublă, adică poate fi folosit atât în ​​scopuri militare, cât și în scopuri civile.

Sistemul în ansamblu include trei părți funcționale (în literatura profesională aceste părți sunt numite segmente) (Fig. 1).

Figura 1. Segmente ale sistemelor de navigație pe orbită înaltă Glonass și GPS

• segmentul spațial, care include constelația orbitală a sateliților artificiali ai Pământului (cu alte cuvinte, nave spațiale de navigație);
• segment de control, complex de control la sol (GCU) pentru constelația orbitală a navelor spațiale;
• echipamentul utilizatorului sistemului.

Dintre aceste trei părți, ultima, echipamentul utilizatorului, este cea mai numeroasă. Sistemul Glonass este fără solicitări, astfel încât numărul de utilizatori ai sistemului nu contează. În plus față de funcția principală - definițiile de navigație - sistemul permite sincronizarea reciprocă de înaltă precizie a standardelor de frecvență și timp la obiecte terestre aflate la distanță și referință geodezică reciprocă. În plus, poate fi folosit pentru a determina orientarea unui obiect pe baza măsurătorilor luate de la patru receptoare de semnale de navigație prin satelit.

În sistemul Glonass, navele spațiale de navigație (NSV) care se rotesc pe o orbită geostaționară circulară la o altitudine de ~ 19.100 km sunt utilizate ca stație de referință pentru navigație radio (Fig. 2). Perioada orbitală a satelitului în jurul Pământului este, în medie, de 11 ore și 45 de minute. Durata de funcționare a satelitului este de 5 ani, timp în care parametrii orbitei sale nu ar trebui să difere de valorile nominale cu mai mult de 5%. Satelitul în sine este un container ermetic cu un diametru de 1,35 m și o lungime de 7,84 m, în interiorul căruia sunt amplasate diverse tipuri de echipamente. Toate sistemele sunt alimentate de la panouri solare. Masa totală a satelitului este de 1415 kg. Echipamentul de bord include: un transmițător de navigație la bord, un cronozator (ceas), un complex de control la bord, un sistem de orientare și stabilizare și așa mai departe.

Figura 2. Segmentul spațial al sistemelor GLONASS și GPS

Figura 3. Segmentul complexului de control la sol al sistemului Glonass

Figura 4. Segmentul complexului de control la sol sisteme GPS

Segmentul complex de control la sol al sistemului GLONASS îndeplinește următoarele funcții:

• suport efemeride și timp-frecvență;
• monitorizarea câmpului de radionavigație;
• monitorizare radiotelemetrică a sateliților;
• comandă și programează controlul radio al satelitului.

Pentru a sincroniza scalele de timp ale diferiților sateliți cu precizia necesară, la bordul satelitului sunt utilizate standarde de frecvență de cesiu cu o instabilitate relativă de ordinul 10-13. Complexul de control la sol folosește un standard de hidrogen cu o instabilitate relativă de 10-14. În plus, NKU include mijloace pentru corectarea scărilor de timp ale satelitului în raport cu scara de referință cu o eroare de 3–5 ns.

Segmentul de sol oferă suport efemeridelor sateliților. Aceasta înseamnă că parametrii mișcării satelitului sunt determinați la sol, iar valorile acestor parametri sunt prezise pentru o perioadă de timp predeterminată. Parametrii și prognoza acestora sunt incluși în mesajul de navigație transmis de satelit odată cu transmiterea semnalului de navigație. Aceasta include, de asemenea, corecții timp-frecvență ale scalei de timp de la bord a satelitului în raport cu ora sistemului. Măsurarea și prognoza parametrilor de mișcare ai satelitului sunt efectuate în centrul balistic al sistemului pe baza rezultatelor măsurătorilor de traiectorie a distanței până la satelit și a vitezei radiale a acestuia.

Sistem de navigație prin satelit de rețea GPS

Sistemul GPS american în felul său funcţionalitate similar cu sistemul domestic Glonass. Scopul său principal este determinarea de înaltă precizie a coordonatelor consumatorului, componentelor vectorului viteză și legarea la scara de timp a sistemului. Similar cu cel intern, sistemul GPS a fost dezvoltat pentru Departamentul de Apărare al SUA și se află sub controlul acestuia. Conform documentului de control al interfeței, principalii dezvoltatori ai sistemului sunt:

• pentru segmentul spațial - Divizia Spațială Internațională Rockwell, Divizia Spațială Astro Martin Marietta;
• pe segmentul management - IBM, Federal System Company;
• pe segmentul de consumatori - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

La fel ca sistemul Glonass, GPS-ul constă dintr-un segment spațial, un complex de comandă și măsurare la sol și un segment de consum.

După cum am menționat mai sus, constelația orbitală GPS este formată din 28 de nave spațiale de navigație. Toate sunt pe orbite circulare cu o perioadă de revoluție în jurul Pământului egală cu 12 ore. Altitudinea orbitală a fiecărui satelit este de ~20.000 km. Sateliții sistemului GPS au suferit o serie de îmbunătățiri care le-au afectat performanța generală. În tabel 1 sunt date caracteristici scurte nave spațiale utilizate în sistem.

Tabelul 1. Caracteristicile navelor spațiale utilizate în sistemul GPS

Tabelul 2. Caracteristici comparative ale sistemelor GLONASS și GPS

La proiectarea unui sistem în general și a sateliților în special, se acordă multă atenție problemelor de funcționare autonomă. Astfel, nava spațială de prima generație (Block-I) a furnizat munca normala sistem (adică fără erori semnificative în determinarea coordonatelor) fără intervenție din partea segmentului de control timp de 3-4 zile. În dispozitivele Block-II, această perioadă a fost mărită la 14 zile. În noua modificare a NKA, Block-IIR permite funcționarea autonomă timp de 180 de zile fără ajustarea parametrilor orbitali de la sol, folosind doar un complex de sincronizare reciprocă prin satelit autonom. Dispozitivele Block-IIF sunt destinate să fie utilizate pentru a înlocui blocurile-IIR uzate.

Structura semnalelor radio de navigație ale sistemului Glonass

Sistemul Glonass folosește semnale MA (FDMA) cu diviziune de frecvență emise de fiecare satelit - două semnale cu defazare. Frecvența primului semnal este în intervalul L1 ~ 1600 MHz, iar frecvența celui de-al doilea este în intervalul L2 ~ 1250 MHz. Valorile nominale ale frecvențelor de operare ale semnalelor radio transmise în benzile L1 și L2 sunt determinate de expresia:

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

unde k = 0,1,...,24 - numere de litere (canale) ale frecvențelor de operare a satelitului;

f 1 = 1602 MHz; Df1 = 9/16 = 0,5625 MHz;
f2 = 1246 MHz; D f 2 = 7/16 = 0,4375 MHz.

Pentru fiecare satelit, frecvențele de operare ale semnalelor din intervalele L1 și L2 sunt coerente și sunt formate dintr-un standard de frecvență. Raportul frecvențelor purtătoare de operare ale fiecărui satelit este:

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

Valoarea nominală a frecvenței generatorului de bord, din punctul de vedere al unui observator situat pe suprafața Pământului, este de 5,0 MHz.

În gama L1, fiecare satelit al sistemului Glonass emite 2 purtători la aceeași frecvență, decalați unul față de celălalt în fază cu 90º (Fig. 5).

Figura 5. Diagrama vectorială a semnalelor purtătoare ale sistemelor GLONASS și GPS

Unul dintre purtători suferă o schimbare de fază de 180º. Semnalul modulator se obține prin adăugarea modulo 2 a trei semnale binare (Fig. 6):

• un cod grosier de telemetru transmis la o viteză de 511 Kbit/s (Fig. 6c);
• secvențe de date de navigație transmise cu o viteză de 50 biți/s (Fig. 6a);
• oscilația meandrei transmisă cu o viteză de 100 biți/s (Fig. 6b).

Figura 6. Structura semnalului GLONASS

Semnalul din domeniul L1 (similar codului C/A din GPS) este disponibil pentru toți consumatorii din domeniul de vizibilitate al navei spațiale. Semnalul din banda L2 este destinat scopurilor militare, iar structura sa nu este dezvăluită.

Compoziția și structura mesajelor de navigație de la sateliții sistemului Glonass

Mesajul de navigare este format sub forma unor linii care urmează continuu, fiecare durând 2 secunde. Prima parte a liniei (interval de 1,7 s) conține date de navigare, iar a doua (0,3 s) conține marcajul de timp. Este o secvență pseudo-aleatorie scurtată constând din 30 de caractere cu o frecvență de ceas de 100 bps.

Mesajele de navigație de la sateliții sistemului Glonass sunt necesare consumatorilor pentru stabilirea navigației și planificarea sesiunilor de comunicare cu sateliții. Pe baza conținutului lor, mesajele de navigare sunt împărțite în informații operaționale și neoperaționale.

Informațiile operaționale se referă la satelitul de la al cărui semnal a fost primit. Informațiile operaționale includ:

• digitizarea marcajelor de timp;
• diferența relativă între frecvența purtătoarei de satelit și valoarea nominală;
• informații efemeride.

Momentul informațiilor efemeride și corecțiile timp-frecvență, care au o multiplicitate de jumătate de oră de la începutul zilei, fac posibilă determinarea cu exactitate coordonate geograficeși viteza satelitului.

Informațiile neoperaționale conțin un almanah, inclusiv:

• date despre starea tuturor sateliților din sistem;
• deplasarea scării de timp a satelitului în raport cu scara sistemului;
• parametrii orbitali ai tuturor sateliților din sistem;
• corectare la scara de timp a sistemului Glonass.

Alegerea „constelației” optime de nave spațiale și prognoza deplasării Doppler a frecvenței purtătoare este asigurată prin analiza almanahului de sistem.

Mesajele de navigație de la sateliții sistemului Glonass sunt structurate sub formă de supercadre cu o durată de 2,5 minute. Un supercadru este format din cinci cadre cu o durată de 30 s. Fiecare cadru conține 15 linii cu o durată de 2 s. Din durata liniei de 2 s, ultimele 0,3 s sunt ocupate de marca temporală. Restul liniei conține 85 de caractere de informații digitale transmise la o frecvență de 50 Hz.

Fiecare cadru conține întreaga cantitate de informații operaționale și o parte din almanahul de sistem. Almanahul complet este conținut în întregul supercadru. În acest caz, informațiile super-cadru conținute în rândurile 1–4 se referă la satelitul din care provine (partea operațională) și nu se modifică în cadrul super-cadrului.

Structura semnalelor radio de navigație ale sistemului GPS

Sistemul GPS folosește diviziunea codului MA (CDMA), astfel încât toți sateliții emit semnale cu aceeasi frecventa. Fiecare satelit GPS emite două semnale cu taste de schimbare de fază. Frecvența primului semnal este L1 = 1575,42 MHz, iar al doilea este L2 = 1227,6 MHz. Semnalul de frecvență purtătoare L1 este modulat de două secvențe binare, fiecare dintre acestea fiind formată prin însumarea modulo 2 a codului telemetrului și a datelor transmise de sistem și de navigație, generate cu o viteză de 50 biți/s. La frecvența L1 sunt transmise două componente în cuadratură, manipulate bifazic de secvențe binare. Prima secvență este suma modulo 2 a codului precis al telemetrului P sau codul clasificat Y și a datelor de navigație. A doua secvență este, de asemenea, suma modulo 2 a codului brut C/A (deschis) și aceeași secvență de date de navigație.

Semnalul radio L2 este manipulat bifazic doar de una dintre cele două secvențe discutate anterior. Selectarea secvenței de modulare se realizează prin comandă de la Pământ.

Fiecare satelit folosește coduri de telemetru C/A și P(Y) unice pentru el, ceea ce permite separarea semnalelor satelitului. În procesul de formare a unui cod precis P(Y), marcajele temporale ale semnalului satelitului sunt formate simultan.

Compoziția și structura mesajelor de navigație de la sateliții GPS

Împărțirea structurală a informațiilor de navigație de la sateliții GPS se realizează în supercadre, cadre, subcadre și cuvinte. Un supercadru este format din 25 de cadre și durează 750 s (12,5 min). Un cadru este transmis în 30 s și are o dimensiune de 1500 de biți. Cadrul este împărțit în 5 subcadre a câte 300 de biți fiecare și este transmis într-un interval de 6 s. Începutul fiecărui subcadru indică un marcaj de timp corespunzător începutului/sfârșitului următorului interval de timp de 6 secunde al sistemului GPS. Un subcadru este format din 10 cuvinte de 30 de biți. În fiecare cuvânt, cei 6 biți cei mai puțin semnificativi sunt biți de verificare.

În subcadrele 1, 2 și 3 sunt transmise date privind parametrii de corecție a ceasului și datele efemeride ale navei spațiale cu care se stabilește comunicarea. Conținutul și structura acestor subcadre rămân aceleași pe toate paginile supercadrelor. Al 4-lea și al 5-lea subcadre conțin informații despre configurația și starea tuturor navelor spațiale din sistem, almanahuri de nave spațiale, mesaje speciale, parametri care descriu relația timpului GPS cu UTC etc.

Algoritmi pentru recepția și măsurarea parametrilor semnalelor de navigație radio prin satelit

Segmentul de consumatori al sistemelor GPS și GLONASS include receptoare de semnal prin satelit. Măsurând parametrii acestor semnale se rezolvă problema navigației. Receptorul poate fi împărțit în trei părți funcționale:

• partea de radiofrecvență;
• corelator digital;
• CPU.

De la ieșirea dispozitivului de alimentare a antenei (antenă), semnalul merge către partea de frecvență radio (Fig. 7). Sarcina principală a acestei părți este de a amplifica semnalul de intrare, filtrarea, conversia frecvenței și conversia analog-digitală. În plus, frecvența de ceas pentru partea digitală a receptorului provine din partea de frecvență radio a receptorului. De la ieșirea părții de frecvență radio, mostre digitale ale semnalului de intrare sunt alimentate la intrarea corelatorului digital.

Figura 7. Structura generalizată a receptorului

În corelator, spectrul semnalului este transferat la frecvența „zero”. Acest lucru se realizează prin înmulțirea semnalului de intrare a corelatorului cu o oscilație armonică de referință în canalele în fază și în cuadratura. Apoi, rezultatul înmulțirii este supus procesării corelației prin înmulțirea cu codul telemetrului de referință și acumularea pe perioada codului telemetrului. Ca rezultat, obținem integralele de corelație I și Q. Citirile integralelor de corelație sunt trimise procesorului pentru procesarea și închiderea ulterioară a buclelor PLL (bucla blocată în fază) și DLL (circuit de urmărire a întârzierii). Măsurătorile parametrilor de semnal în receptor nu se fac direct din semnalul de intrare, ci din copia exactă a acestuia generată de sistemele fază-fază și CVD. Integralele de corelație I și Q permit evaluarea gradului de „asemănare” (corelație) a semnalelor de referință și de intrare. Sarcina corelatorului, pe lângă formarea integralelor I și Q, este de a forma un semnal de referință în conformitate cu acțiunile de control (codurile de control) care vin de la procesor. În plus, în unele receptoare corelatorul generează măsurătorile necesare ale semnalelor de referință și le transmite procesorului pentru procesare ulterioară. În același timp, întrucât semnalele de referință din corelator se formează folosind coduri de control provenite de la procesor, măsurătorile necesare ale semnalelor de referință se pot face direct în procesor, procesând codurile de control în consecință, ceea ce se face în multe receptoare moderne.

Ce parametri de semnal sunt măsurați de corelator (procesor)?

Gama în măsurătorile de inginerie radio este caracterizată de timpul de propagare a semnalului de la obiectul de măsurat la punctul de măsurare. În sistemele de navigație GPS/GLONASS, emisia de semnale este sincronizată cu scala de timp a sistemului, sau mai precis, cu scara de timp a satelitului care emite acest semnal. În același timp, consumatorul are informații despre discrepanța dintre scara de timp a satelitului și a sistemului. Informațiile digitale transmise de la satelit fac posibilă stabilirea momentului de emisie a unui anumit fragment de semnal (marca temporală) de către satelit în timpul sistemului. Momentul primirii acestui fragment este determinat de scala de timp a receptorului. Scala de timp a receptorului (consumatorului) este formată folosind standarde de frecvență de cuarț, prin urmare există o „schimbare” constantă a scării de timp a receptorului în raport cu scara de timp a sistemului. Diferența dintre momentul recepționării unui fragment de semnal, măsurat pe scara de timp a receptorului, și momentul emisiei de către satelitul său, măsurat pe scara satelitului, înmulțit cu viteza luminii, se numește pseudorange. De ce pseudorange? Deoarece diferă de intervalul adevărat printr-o sumă egală cu produsul dintre viteza luminii și „deplasarea” scării de timp a receptorului în raport cu scara de timp a sistemului. La rezolvarea unei probleme de navigație, acest parametru este determinat împreună cu coordonatele consumatorului (receptorului).

Integrale de corelație formate în corelator fac posibilă urmărirea modulării semnalului satelitului prin simboluri de informații și calcularea marcajului de timp în semnalul de intrare. Marcajele de timp urmează la intervale de 6 s pentru GPS și 2 s pentru GLONASS și formează un fel de scară de 6 (2) secunde. Într-o diviziune a acestei scale, perioadele codului telemetrului formează o scară de 1 ms. O milisecundă este împărțită, la rândul său, în elemente individuale(cipuri, în terminologia GPS): pentru GPS - 1023, pentru GLONASS - 511. Astfel, elementele codului telemetrului vă permit să determinați distanța până la satelit cu o eroare de ~ 300 m. Pentru o determinare mai precisă, dvs trebuie să cunoașteți faza generatorului de cod al telemetrului. Circuitele de construire a oscilatoarelor de referință ale corelatorului fac posibilă determinarea fazei acestuia cu o precizie de până la 0,01 perioade, ceea ce reprezintă o precizie de determinare a pseudo-gamă de 3 m.

Pe baza măsurătorilor parametrilor oscilației armonice de referință generate de sistemul de blocare a fazei, se determină frecvența și faza oscilației purtătorului satelitului. Plecarea sa în raport cu valoarea nominală va da o schimbare de frecvență Doppler, care este folosită pentru a estima viteza consumatorului în raport cu satelitul. În plus, măsurătorile de fază ale purtătorului fac posibilă clarificarea distanței la satelit cu o eroare de câțiva mm.

Pentru a determina coordonatele consumatorului, este necesar să se cunoască coordonatele sateliților (cel puțin 4) și distanța de la consumator la fiecare satelit vizibil. Pentru ca consumatorul să determine coordonatele sateliților, semnalele de navigație emise de aceștia sunt modelate prin mesaje despre parametrii mișcării acestora. În echipamentele de consum, aceste mesaje sunt izolate și coordonatele sateliților sunt determinate la momentul dorit în timp.

Coordonatele și componentele vectorului viteză se modifică foarte repede, astfel încât mesajele despre parametrii mișcării sateliților conțin informații nu despre coordonatele și componentele vectorului viteză, ci informații despre parametrii unui model care aproximează traiectoria navei spațiale. pe un interval de timp destul de mare (aproximativ 30 de minute). Parametrii modelului de aproximare se modifică destul de lent și pot fi considerați constanți pe intervalul de aproximare.

Parametrii modelului de aproximare sunt incluși în mesajele de navigație prin satelit. Sistemul GPS folosește modelul de mișcare Keplerian cu elemente osculatoare. În acest caz, traiectoria de zbor a navei spațiale este împărțită în secțiuni de aproximare care durează o oră. În centrul fiecărei secțiuni este stabilit un punct nodal în timp, a cărui valoare este comunicată consumatorului de informații de navigație. În plus, consumatorul este informat despre parametrii modelului elementelor osculatoare la momentul nodal în timp, precum și despre parametrii funcțiilor care aproximează modificările parametrilor modelului elementelor osculatoare în timp, ambele precedând element nodal și în urma acestuia.

În echipamentul de consum, se alocă un interval de timp între momentul de timp în care este necesară determinarea poziţiei satelitului şi momentul nodal. Apoi, folosind funcțiile de aproximare și parametrii acestora extrași din mesajul de navigare, valorile parametrilor modelului elementelor osculatoare sunt calculate la momentul dorit în timp. În ultima etapă, folosind formulele uzuale ale modelului Keplerian, sunt determinate coordonatele și componentele vectorului viteză al satelitului.

Sistemul Glonass folosește modele de mișcare diferențială pentru a determina poziția exactă a satelitului. În aceste modele, coordonatele și componentele vectorului viteză al satelitului sunt determinate prin integrarea numerică a ecuațiilor diferențiale de mișcare ale navei spațiale, luând în considerare un număr finit de forțe care acționează asupra navei spațiale. Condițiile inițiale de integrare sunt stabilite la momentul nodal de timp, situat la mijlocul intervalului de aproximare.

După cum sa menționat mai sus, pentru a determina coordonatele consumatorului, este necesar să se cunoască coordonatele sateliților (cel puțin 4) și distanța de la consumator la fiecare satelit vizibil, care este determinată în receptorul de navigație cu o precizie de aproximativ 1 m. Pentru comoditate, să luăm în considerare cel mai simplu caz „plat”, prezentat în Fig. 8.

Figura 8. Determinarea coordonatelor consumatorului

Fiecare satelit (Fig. 8) poate fi reprezentat ca un emițător punctual. În acest caz, partea frontală a undei electromagnetice va fi sferică. Punctul de intersecție al celor două sfere va fi cel în care se află consumatorul.

Altitudinea orbitelor sateliților este de aproximativ 20.000 km. În consecință, al doilea punct de intersecție al cercurilor poate fi aruncat din cauza informațiilor a priori, deoarece este situat departe în spațiu.

Mod diferențial

Sistemele de navigație prin satelit permit consumatorului să obțină coordonate cu o precizie de aproximativ 10–15 m. Cu toate acestea, pentru multe sarcini, în special pentru navigarea în orașe, este necesară o precizie mai mare. Una dintre principalele metode de creștere a preciziei determinării locației unui obiect se bazează pe utilizarea principiului măsurătorilor diferențiale de navigație, binecunoscut în radionavigația.

Modul DGPS diferențial (GPS diferențial) vă permite să setați coordonatele cu o precizie de până la 3 m într-o situație de navigație dinamică și până la 1 m în condiții staționare. Modul diferențial este implementat folosind un receptor de control GPS numit stație de referință. Este situat într-un punct cu coordonate cunoscute, în aceeași zonă cu receptorul GPS principal. Comparând coordonatele cunoscute (obținute ca rezultat al studiului geodezic de precizie) cu cele măsurate, stația de referință calculează corecțiile care sunt transmise consumatorilor prin canal radio într-un format predeterminat.

Echipamentul consumator primește corecții diferențiale de la stația de referință și le ia în considerare la determinarea locației consumatorului.

Rezultatele obținute prin metoda diferențială depind în mare măsură de distanța dintre obiect și stația de referință. Utilizarea acestei metode este cea mai eficientă atunci când predomină erorile sistematice cauzate de cauze externe (față de receptor). Conform datelor experimentale, se recomandă localizarea stației de referință la cel mult 500 km de obiect.

În prezent, există multe sisteme diferențiale regionale și locale pe o suprafață largă.

Ca sisteme de suprafață largă, merită remarcate sisteme precum WAAS american, EGNOS european și MSAS japonez. Aceste sisteme folosesc sateliți geostaționari pentru a transmite corecții către toți consumatorii din zona lor de acoperire.

Sistemele regionale sunt concepute pentru a oferi suport de navigație pentru zone individuale de pe suprafața pământului. În mod obișnuit, sistemele regionale sunt utilizate în orașele mari, pe rutele de transport și râurile navigabile, în porturi și de-a lungul coastelor mărilor și oceanelor. Diametrul zonei de lucru sistem regional de obicei variază între 500 și 2000 km. Poate include una sau mai multe stații de referință.

Sisteme locale au o autonomie maximă de 50 până la 220 km. Acestea includ de obicei o stație de bază. Sistemele locale sunt de obicei împărțite în funcție de metoda de aplicare: stații diferențiale locale maritime, aviatice și geodezice.

Dezvoltarea navigației prin satelit

Direcția generală de modernizare a sistemelor de satelit GPS și Glonass este asociată cu creșterea acurateței definițiilor de navigație, îmbunătățirea serviciului oferit utilizatorilor, creșterea duratei de viață și a fiabilității echipamentelor prin satelit de la bord, îmbunătățirea compatibilității cu alte sisteme radio și dezvoltarea subsistemelor diferențiale. Direcția generală de dezvoltare a sistemelor GPS și Glonass coincide, dar dinamica și rezultatele obținute sunt foarte diferite.

Îmbunătățirea sistemului GLONASS este planificată să fie realizată pe baza sateliților GLONASS-M de nouă generație. Acest satelit va avea o resursă de serviciu sporită și va emite un semnal de navigație în banda L2 pentru aplicații civile.

O decizie similară a fost luată în SUA, unde la 5 ianuarie 1999 s-a anunțat că vor fi alocate 400 de milioane de dolari pentru modernizarea sistemului GPS asociat cu transmiterea codului C/A la frecvența L2 (1222,7 MHz) și introducerea unui al treilea purtător L3 (1176. 45 MHz) pe nave spațiale care va fi lansat din 2005. Semnalul de frecvență L2 este destinat a fi utilizat pentru nevoi civile nu are legătură directă cu pericolul pentru viața umană. Se propune începerea implementării acestei decizii în 2003. S-a decis utilizarea celui de-al treilea semnal civil pe frecvența L3 pentru nevoile aviației civile.

Literatură

1. Sisteme de inginerie radio. Ed. Kazarinova Yu.M. M.: Liceu, 1990.
2. Soloviev Yu.A. Sisteme de navigație prin satelit. M.: Eco-Trends, 2000.
3. Sistem global de radionavigație prin satelit GLONASS / Ed. V.N. Kharisova, A.I. Perova, V.A. Boldin. M.: IPRZHR, 1998.
4. Lipkin I.A. Sisteme de navigație prin satelit. M.: Cartea Universității, 2001.
5. Sistemul global de navigație prin satelit GLONASS. Document de control al interfeței. M.: KNITS VKS, 1995.
6. Document de control al interfeței: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.

Multă vreme, sistemul global de geopoziționare GPS, creat în Statele Unite, a fost singurul disponibil pentru utilizatorii obișnuiți. Dar chiar și ținând cont de faptul că acuratețea dispozitivelor civile a fost inițial mai mică în comparație cu analogii militari, a fost absolut suficientă pentru navigație și pentru urmărirea coordonatelor vehiculelor.

Cu toate acestea, în Uniunea Sovietică a fost dezvoltat propriul sistem determinarea coordonatelor, cunoscută astăzi ca GLONASS. În ciuda principiului similar de funcționare (se folosește calculul intervalelor de timp dintre semnalele de la sateliți), GLONASS are diferențe practice serioase față de GPS, datorită atât condițiilor de dezvoltare, cât și implementării practice.

• GLONASS este mai precis în regiunile nordice. Acest lucru se explică prin faptul că grupuri militare semnificative ale URSS și, ulterior, Rusia, au fost situate tocmai în nordul țării. Prin urmare, mecanica GLONASS a fost calculată ținând cont de precizia în astfel de condiții.
• Pentru funcționarea neîntreruptă a sistemului GLONASSnu sunt necesare stații de corecție. Pentru a asigura Precizie GPS, ai căror sateliți sunt staționari în raport cu Pământul, este nevoie de un lanț de stații geostaționare pentru a monitoriza abaterile inevitabile. La rândul lor, sateliții GLONASS sunt mobili în raport cu Pământul, astfel încât problema corectării coordonatelor lipsește inițial.

Pentru uz civil, această diferență este vizibilă. De exemplu, în Suedia, în urmă cu 10 ani, GLONASS a fost folosit în mod activ, în ciuda număr mare echipamente GPS preexistente. O parte considerabilă a teritoriului acestei țări se află la latitudinile nordului Rusiei, iar avantajele GLONASS în astfel de condiții sunt evidente: cu cât înclinația satelitului față de orizont este mai mică, cu atât coordonatele și viteza de mișcare pot fi calculate mai precis. cu o precizie egală în estimarea intervalelor de timp dintre semnalele lor (setate de echipamentul navigatorului).

Deci care este mai bun?

Este suficient să evaluăm piața sistemelor telematice moderne pentru a obține răspunsul corect la această întrebare. Prin utilizarea simultană a unei conexiuni la sateliții GPS și GLONASS într-un sistem de navigație sau securitate, pot fi obținute trei avantaje principale.

• Precizie ridicată. Sistemul, analizând datele curente, le poate selecta pe cele mai corecte dintre cele disponibile. De exemplu, la latitudinea Moscovei, GPS-ul oferă acum acuratețe maximă, în timp ce în Murmansk GLONASS va deveni lider în acest parametru.
• Fiabilitate maximă. Ambele sisteme funcționează canale diferite Prin urmare, atunci când se confruntă cu bruiaj intenționat sau interferențe din partea unor persoane din exterior în raza de acțiune GPS (ca în cel mai comun), sistemul își va păstra capacitatea de a geopoziționa prin intermediul rețelei GLONASS.
• Independenţă. Deoarece atât GPS cât și GLONASS sunt inițial sisteme militare, utilizatorul se poate confrunta cu privarea de acces la una dintre rețele. Pentru a face acest lucru, dezvoltatorul trebuie doar să introducă restricții software în implementarea protocolului de comunicare. Pentru consumatorul rus, GLONASS devine, într-o oarecare măsură, într-un mod de rezervă functioneaza in caz de indisponibilitate GPS.

De aceea, sistemele Caesar Satellite oferite de noi, în toate modificările, utilizează geopoziţionarea duală, completată de urmărirea coordonatelor de către stații de bază comunicatii celulare.

Cum funcționează geolocalizarea cu adevărat fiabilă

Luați în considerare munca sistem fiabil Urmărire GPS/GLONASS folosind exemplul Cesar Tracker A.

Sistemul este în modul de repaus, nu transmite date către rețeaua celulară și dezactivează receptoarele GPS și GLONASS. Acest lucru este necesar pentru a economisi cea mai mare resursă posibilă a bateriei încorporate, respectiv, pentru a asigura cea mai mare autonomie a sistemului care vă protejează mașina. În majoritatea cazurilor, bateria durează 2 ani. Dacă trebuie să vă localizați mașina, de exemplu, dacă este furată, trebuie să contactați centrul de securitate Caesar Satellite. Angajații noștri trec sistemul într-o stare activă și primesc date despre locația mașinii.

În timpul trecerii la modul activ, trei procese independente au loc simultan:

• Receptorul GPS este declanșat, analizând coordonatele folosind programul său de geopoziționare. Dacă sunt detectați mai puțin de trei sateliți într-o anumită perioadă de timp, sistemul este considerat indisponibil. Coordonatele sunt determinate folosind canalul GLONASS într-un mod similar.
• Trackerul compară datele de la ambele sisteme. Dacă în fiecare a fost detectat un număr suficient de sateliți, tracker-ul selectează datele pe care le consideră mai fiabile și mai precise. Acest lucru este valabil mai ales în cazul contramăsurilor electronice active - bruiaj sau înlocuire a semnalului GPS.
• Modulul GSM procesează datele de geopoziționare prin LBS (stații de bază celulare). Această metodă este considerată cea mai puțin precisă și este utilizată numai dacă atât GPS, cât și GLONASS nu sunt disponibile.

Astfel, un sistem modern de urmărire are o fiabilitate triplă, folosind trei sisteme de geopoziţionare separat. Dar, firesc, suportul GPS/GLONASS din designul trackerului este cel care asigură precizia maximă.

Aplicare în sisteme de monitorizare

Spre deosebire de balize, sistemele de monitorizare utilizate la vehiculele comerciale monitorizează constant locația vehiculului și viteza actuală a acestuia. Cu această aplicație, avantajele geopoziționării duble GPS/GLONASS sunt dezvăluite și mai pe deplin. Dublarea sistemelor permite:

• suport monitorizare in cazul unor probleme pe termen scurt cu receptia semnalului de la GPS sau GLONASS;
• menține o precizie ridicată indiferent de direcția de zbor. Folosind un sistem precum CS Logistic GLONASS PRO, puteți opera cu încredere zboruri de la Chukotka la Rostov-pe-Don, păstrând controlul deplin asupra transportului pe întreaga rută;
• protejați vehiculele comerciale de deschidere și furt. Serverele Caesar Satellite primesc informații în timp real despre ora și locația exactă a mașinii;
• contracarează eficient atacatorii. Sistemul salvează memorie internă cantitatea maximă posibilă de date chiar dacă canalul de comunicare cu serverul este complet indisponibil. Informațiile încep să fie transmise la cea mai mică întrerupere a bruiajului radio.

Alegând un sistem GPS/GLONASS, vă asigurați cele mai bune servicii și capabilități de securitate în comparație cu sistemele care folosesc doar una dintre metodele de geopoziționare.

Care este mai bun: GLONASS, GPS sau Galileo?

ÎN lumea modernă, unde funcționarea normală a industriilor individuale depinde în mod direct de calitatea serviciilor furnizate în domeniul sistemelor de navigație prin satelit, întrebarea nu este deloc una inactivă.
Astăzi, există mai multe sisteme de navigație prin satelit concepute pentru a determina locația și ora exactă, precum și parametrii de mișcare (viteza și direcția de mișcare etc.) pentru obiectele de pe uscat, apă și aer.

Din punct de vedere al disponibilității și aplicării, sunt de interes patru sisteme: GLONASS-ul rusesc, GPS-ul american NAVSTAR, sistemul european Galileo și sistemul chinezesc BeiDou/Compass.
Sistemele GPS GLONASS și NAVSTAR sunt complet operaționale și globale.

Orez. 1. Mijloacele existente de navigație și suport de cronometrare.

Sistemele Galileo și BeiDou/Compass se află în diferite etape de punere în funcțiune, care în viitor vor oferi și servicii globale.

Orez. 2. Mijloace avansate de navigare și suport pentru cronometrare.

Compoziția sistemelor de navigație.
Orice sistem de navigație prin satelit este format din trei segmente principale:

• Segmentul spațial sau constelația orbitală;
• Segment de sol;
• Segment de utilizatori.

Constelația orbitală a sistemului GLONASS este reprezentată de 30 de nave spațiale, dintre care la 29 iunie 2014, 23 sunt în sistem, 2 sunt în rezervă. Sateliții rămași sunt în faza de punere în funcțiune sau de întreținere. Nava spațială se rotește pe orbite circulare în trei plane orbitale la o altitudine de 19.100 km. Numărul de sateliți din fiecare plan orbital este 8.

Constelația orbitală NAVSTAR GPS include 32 de nave spațiale care se rotesc pe orbite circulare în 6 planuri orbitale la o altitudine de 20.183 km. Numărul de sateliți din fiecare plan orbital este 4.

Constelația orbitală a sistemului Galileo va consta din 30 de sateliți (27 operaționali și 3 de rezervă). Este planificată desfășurarea completă a constelației orbitale în 2016, când toți cei 30 de sateliți (27 operaționali și 3 de rezervă) vor fi lansați pe orbită. Constelația orbitală a sistemului GALILEO va fi situată în trei plane, înclinate față de ecuator la un unghi de 56 de grade la o altitudine de 23224 km, cu câte 9 sateliți în fiecare plan orbital.

Constelația orbitală a sistemului Beidou/Compass va fi formată din 36 de nave spațiale, 5 nave spațiale vor fi pe orbită geostaționară; 5 nave spațiale pe orbită geosincronă înclinată; 24 de nave spațiale pe orbita medie a Pământului. Sateliții rămași pot forma o rezervă orbitală. O astfel de plasare a constelației orbitale va oferi sistemului o acoperire globală non-stop a suprafeței Pământului.

Sistemele GPS GLONASS și NAVSTAR prezintă cel mai mare interes.

Ambele sisteme sunt aproximativ egale ca precizie de măsurare. Conform datelor sistemului de corecție diferențială și monitorizare la 30 iunie 2014, precizia ambelor sisteme este de 5-7 m. Sistemul american are o rețea mai dezvoltată de stații care transmit corecții pentru modul diferențial. Aceste stații, situate în SUA, Canada, Japonia, China, UE și India, fac posibilă reducerea erorii în aceste țări la 1-2 m.

În același timp, stațiile rusești de corecție diferențială sunt situate în principal pe teritoriul Federației Ruse.
Rețeaua actuală de stații terestre include 14 stații în Rusia, o stație în Antarctica și una în Brazilia. Dezvoltarea sistemului presupune instalarea a opt stații suplimentare în Rusia și a mai multor stații în străinătate (stații suplimentare vor fi amplasate în țări precum Cuba, Iran, Vietnam, Spania, Indonezia, Nicaragua, Australia, două în Brazilia, iar una suplimentară va să fie situat în Antarctica).

Avantajul incontestabil al sistemului intern este precizia mai mare în regiunile circumpolare ale Pământului datorită unei înclinații orbitale mai mari.

Potrivit Reuters, angajații companiei suedeze Swepos, care deține o rețea națională de stații de navigație prin satelit, au recunoscut avantajul sistemului de navigație rusesc GLONASS față de GPS-ul american.

Potrivit lui Bo Jonsson, șef adjunct al diviziei de cercetare geodezică, GLONASS oferă o poziționare mai precisă la latitudinile nordice: „el (GLONASS) funcționează puțin mai bine la latitudinile nordice, deoarece sateliții săi sunt pe orbite mai înalte și îi vedem mai bine decât sateliții GPS. ” Jonsson a spus că 90% dintre clienții companiei sale folosesc Glonass în combinație cu GPS. Trebuie remarcat faptul că domnul Jonsson nu este complet exact aici. Cel mai probabil nu vorbim despre înălțimea orbitelor, orbitele sateliților GPS sunt puțin mai mari decât cele ale GLONASS, ci despre înclinarea planelor orbitale: 64,80 pentru sistemul GLONASS față de 550 pentru sistemul GPS.

Cu toate acestea, cea mai bună acuratețe a locației este obținută atunci când se utilizează dispozitive care pot primi semnale atât de la sistemul GLONASS, cât și de la sistemul GPS.
Faptul este că pentru a determina cu exactitate coordonatele ai nevoie de patru sateliți ai unui sistem sau altul. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, această definiție oferă o precizie destul de scăzută: este dificil de utilizat în zonele urbane pentru a rezolva anumite probleme.
Pe măsură ce numărul de sateliți observați crește, acuratețea crește. De obicei sunt observați 6-9 sateliți GPS. Dacă lucrăm în zone închise: la munte, în pădure, mai ales într-un peisaj urban, atunci când ne plimbăm efectiv în junglă, atunci numărul de sateliți pe care îi vedem poate fi mult redus - sau geometria locației lor poate devin ineficiente.
De exemplu, sateliții se pot alinia de-a lungul străzii. În acest caz, numărul total de sateliți pe care îi putem observa este un aspect foarte important: cu cât sunt mai mulți, cu atât calitatea este mai mare în condiții atât de înghesuite. Deci, conform datelor aceluiași sistem de corecție și monitorizare diferențială din 30 iunie 2014, acuratețea determinărilor de navigație atunci când se utilizează împreună GLONASS și GPS crește la 3-5 m.

Diagramele de mai jos arată disponibilitatea sistemelor GLONASS și GPS conform sistemului de corecție diferențială și monitorizare la 30 iunie 2014.
Aici PDOP este reducerea preciziei poziției.

Orez. 3. Disponibilitatea GNSS GLONASS.

Fig.4. Disponibilitatea GPS GNSS.

Fig.5. Disponibilitatea GNSS GLONASS + GPS.

Este planificată creșterea preciziei ambelor sisteme.

Până în 2015, precizia sistemului GLONASS va fi crescută la 1,4 m, până în 2020 - 0,6 m, cu o creștere ulterioară a acestui indicator la 10 cm. Sistemul GPS, după lansarea sateliților de nouă generație pe orbită, va oferi utilizatorilor săi o precizie de 0,6-0,9 m Când se utilizează modul diferențial, o precizie de 0,1 m este deja posibilă astăzi.
Sistemul Galileo este de așteptat să ofere o precizie de 30 cm la latitudini joase, în timp ce primește simultan semnale de la 8-10 sateliți. Datorită orbitei mai înalte decât sateliții GPS, la latitudinea Cercului Polar va fi asigurată o precizie de 1 m.
Este prea devreme să vorbim despre acuratețea sistemului Beidou/Compass astăzi, deoarece sistemul nu a fost implementat complet. Cu toate acestea, pe 8 mai 2014, sistemul a trecut un test de experți, în timpul căruia s-a constatat că precizia sa este mai mică de 1 m Potrivit academicianului Academiei Chineze de Științe Yang Yuanxi, precizia sistemului de satelit BEIDOU atunci când funcționează. în modul diferenţial îl depăşeşte pe cel al sistemului GPS.

În ceea ce privește fiabilitatea sistemului și menținerea constelației spațiale, sistemul GPS american deține în prezent liderul. O diferență importantă între sistemul GLONASS și sistemul GPS este că sateliții GLONASS în mișcarea lor orbitală nu au rezonanță (sincronie) cu rotația Pământului, ceea ce le oferă o mai mare stabilitate.

Despre pericole.

Pe 2 aprilie 2014, a avut loc o defecțiune majoră în sistemul GLONASS. Timp de aproape 11 ore, toți cei 24 de sateliți ai sistemului au furnizat date incorecte, de exemplu. sistemul s-a dovedit a fi inoperant. Sistemul a fost restabilit funcționalitate și motivele sunt investigate. Întrebarea dacă astfel de situații pot fi repetate rămâne deschisă.
Dar nu totul este fără probleme în ceea ce privește menținerea numărului necesar de nave spațiale în constelația orbitală și în GPS.

În 2009, GAO a emis un raport despre viitorul GPS, care și-a exprimat îngrijorarea că constelația orbitală ar putea să nu poată menține o performanță adecvată între 2010 și 2018 (Buletin informativ System Design & Test, mai 2009, GPS World, 27 mai 2009). ). Brad Parkinson, primul director al împlinirii programe GPS, arhitectul-șef și avocatul GPS, a declarat: „Este posibil ca constelația să ajungă cu mai puțin de 24 de sateliți”.

Are Rusia nevoie de propriul sistem de navigație prin satelit? Neapărat necesar. Fără utilizarea tehnologiilor moderne de navigație, va fi dificil să se asigure competitivitatea economiei naționale.

De asemenea, nu putem ignora faptul că sistemul GPS, precum GLONASS-ul rusesc, este controlat de departamentele militare. Prin urmare, făcând economia rusă dependentă de GPS-ul american, ținând cont de capacitățile regimului de acces selectiv și de „îngroșarea” sau denaturarea deliberată a semnalului pe un anumit teritoriu geografic, precum și de riscurile existente create de om, economice și de altă natură. , este, cel puțin, miop. Mai ales în contextul sancțiunilor economice, care vizează în primul rând slăbirea poziției Rusiei pe arena economică internațională și o nouă rundă de confruntare „rece” între Rusia și blocul NATO.

Din cauza temerilor că sistemele GLONASS ar putea fi folosite în scopuri militare, Departamentul de Stat al SUA a refuzat să elibereze autorizații lui Roscosmos pentru construirea mai multor stații de măsurare rusești pe teritoriul american. Ca răspuns la interdicție, activitatea stațiilor pentru sistemul GPS din Federația Rusă a fost suspendată de la 1 iunie 2014. Și încă de la 1 septembrie, funcționarea acestor stații ar putea fi oprită. Dezactivarea stațiilor la sol va afecta doar poziționarea ultra-preciză, care nu este utilizată în scopuri civile.
Cu toate acestea, cazul este destul de orientativ. În ceea ce privește Galileo, sistemul este un exemplu izbitor de încercare nu foarte reușită de a crea un sistem global de navigație prin satelit, folosind capital privat pe o bază comercială, adică amestecând funcțiile statului și ale afacerilor. Acest lucru a întârziat deja sistemul european Galileo cu câțiva ani.

Potrivit experților, sistemul Galileo poate fi pe deplin operațional după 2014. Serviciile deschise și comerciale vor fi disponibile utilizatorilor sistemului (cu excepția aviației, marina comercială, organizațiile guvernamentale și militare, agențiile de informații, serviciile de salvare și căutare). Serviciul deschis va oferi utilizatorilor un semnal gratuit cu acuratețea sistemelor moderne. Nu va exista nicio garanție a primirii acestuia.
Datorită compromisurilor la care s-a ajuns cu guvernul SUA, formatul de date folosit, folosit și în semnalele GPS modernizate, va permite sistemelor GPS și Galileo să fie complementare. Serviciul comercial va oferi un semnal codificat, permițând o precizie îmbunătățită a poziționării. Drepturile de utilizare a semnalului sunt planificate să fie revândute prin furnizori. Se propune un sistem de plată flexibil în funcție de timpul de utilizare și tipul de abonat. În mod evident, utilizatorii sistemului Galileo din zonele în care este necesară o precizie ridicată de poziționare vor trebui să suporte costuri suplimentare pentru utilizarea sistemului.
Sistemul Beidou/Compass este în funcțiune comercială din decembrie 2012. Sistemul va oferi utilizatorilor date precise despre poziție, viteză și timp. Datele vor fi furnizate prin canale deschise. Pe lângă oportunitățile specifice industriei de utilizare a sistemului, dezvoltatorii au anunțat și posibilitatea de a schimba mesaje text între abonații sistemului.
Utilizatorii personali ai sistemului vor putea folosi serviciul pentru a oferi informații despre hoteluri, restaurante, parcări și site-uri culturale din apropiere, trimițând mesaje text către furnizorii de servicii locali. Furnizorii de servicii vor găsi imediat informațiile necesare în funcție de locația utilizatorului și apoi vor trimite card electronic, de exemplu, la telefonul utilizatorului. De asemenea, utilizatorul va putea primi servicii cu valoare adăugată precum rezervarea unei camere de hotel, a unei mese la restaurant sau a unui loc de parcare.

Deși lucrările privind compatibilitatea sistemelor Beidou/Compass și GLONASS au început în 2014, nu se știe încă dacă funcționalitatea completă a sistemului Beidou/Compass va fi disponibilă utilizatorilor ruși.

Orez. 6. Zona de acoperire curentă a sistemului Beidou.

Astfel, astăzi există două sisteme de navigație prin satelit cu adevărat globale în lume: GLONASS și GPS.

Astăzi, nimeni nu poate da un răspuns cert la întrebarea care sistem este mai bun.

Ce trebuie folosit: sistem rusesc GLONASS, suport producator autohton, sau utilizați sistemul GPS cu riscul de a fi deconectat de la sistem în cel mai inoportun moment? Avantajele utilizării echipamentelor care suportă atât GLONASS, cât și GPS sunt evidente, deoarece din poziția unui consumator obișnuit, cu cât echipamentul său poate funcționa cu sisteme de navigație prin satelit mai globale, cu atât mai bine din punct de vedere al disponibilității și calității serviciilor de definire a navigației.

Deja astăzi pe piață puteți găsi echipamente cu două sau trei sisteme care, pe lângă GPS și GLONASS, pot funcționa cu semnale Galileo. Dacă constelațiile orbitale Galileo și Compass sunt implementate cu succes, atunci echipamentele de consum GLONASS/GPS/Galileo/Compass nu vor întârzia să apară. Alegerea este a ta.

Alexei Afanasov

Hărțile de hârtie ale zonei au fost înlocuite cu hărți electronice, pe care navigarea se realizează cu ajutorul sistemului satelit GPS. Din acest articol veți afla când a apărut navigația prin satelit, ce este acum și ce o așteaptă în viitorul apropiat.

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, flotilele americane și britanice au avut un atu semnificativ - sistemul de navigație LORAN care folosea balize radio. La sfârșitul ostilităților, navele civile ale țărilor „pro-occidentale” au primit tehnologia pe care o aveau la dispoziție. Un deceniu mai târziu, URSS a pus în funcțiune răspunsul său - sistemul de navigație Chaika, bazat pe balize radio, este încă în uz astăzi.

Dar navigația terestră are dezavantaje semnificative: terenul denivelat devine un obstacol, iar influența ionosferei afectează negativ timpul de transmisie a semnalului. Dacă distanța dintre radiofarul de navigație și navă este prea mare, eroarea în determinarea coordonatelor poate fi măsurată în kilometri, ceea ce este inacceptabil.

Radiobalizele de la sol au fost înlocuite cu sisteme de navigație prin satelit în scopuri militare, primul dintre care, American Transit (un alt nume pentru NAVSAT), a fost lansat în 1964. Șase sateliți pe orbită joasă au asigurat o precizie de determinare a coordonatelor de până la două sute de metri.

În 1976, URSS a lansat un sistem de navigație militar similar, Cyclone, iar trei ani mai târziu, unul civil numit Cicada. Marele dezavantaj al sistemelor de navigație prin satelit timpurie a fost că acestea puteau fi utilizate doar pentru perioade scurte de o oră. Sateliții pe orbită joasă, chiar și în număr mic, nu au fost capabili să ofere o acoperire largă a semnalului.

GPS vs. GLONASS

În 1974, armata SUA a lansat pe orbită primul satelit al noului sistem de navigație NAVSTAR, care a fost redenumit ulterior GPS (Global Positioning System). La mijlocul anilor 1980, tehnologia GPS a fost permisă să fie folosită de navele și aeronavele civile, dar pentru o lungă perioadă de timp acestea au putut oferi o poziționare mult mai puțin precisă decât cele militare. Cel de-al douăzeci și patrulea satelit GPS, ultimul necesar pentru a acoperi complet suprafața Pământului, a fost lansat în 1993.

În 1982, URSS și-a prezentat răspunsul - a fost tehnologia GLONASS (Global Navigation Satellite System). Ultimul al 24-lea satelit GLONASS a intrat pe orbită în 1995, dar durata de viață scurtă a sateliților (trei până la cinci ani) și finanțarea insuficientă pentru proiect au scos sistemul din funcțiune timp de aproape un deceniu. A fost posibilă restabilirea acoperirii globale GLONASS abia în 2010.

Pentru a evita astfel de defecțiuni, atât GPS cât și GLONASS folosesc acum 31 de sateliți: 24 principali și 7 de rezervă, după cum se spune, pentru orice eventualitate. Sateliții moderni de navigație zboară la o altitudine de aproximativ 20 de mii de km și reușesc să încerce Pământul de două ori pe zi.

Cum funcționează GPS-ul

Poziționarea în rețeaua GPS se realizează prin măsurarea distanței de la receptor la mai mulți sateliți, a căror locație este cunoscută cu precizie în momentul actual. Distanța până la satelit este măsurată prin înmulțirea întârzierii semnalului cu viteza luminii.
Comunicarea cu primul satelit oferă informații numai despre gama de locații posibile ale receptorului. Intersecția a două sfere va da un cerc, trei - două puncte și patru - singurul punct corect de pe hartă. Planeta noastră este folosită cel mai adesea ca una dintre sfere, ceea ce permite poziționarea doar pe trei sateliți în loc de patru. În teorie, precizia de poziționare GPS poate ajunge la 2 metri (în practică, eroarea este mult mai mare).

Fiecare satelit trimite receptorului un set mare de informații: ora exactă și corectarea acesteia, almanah, date efemeride și parametri ionosferici. Este necesar un semnal de timp precis pentru a măsura întârzierea dintre trimiterea și primirea acestuia.

Sateliții de navigație sunt echipați cu ceasuri cu cesiu de înaltă precizie, în timp ce receptoarele sunt echipate cu ceasuri de cuarț mult mai puțin precise. Prin urmare, pentru a verifica ora, se face contact cu un satelit suplimentar (al patrulea).

Dar ceasurile cu cesiu pot face și greșeli, așa că sunt verificate față de ceasurile cu hidrogen plasate pe sol. Pentru fiecare satelit, corecția de timp este calculată individual în centrul de control al sistemului de navigație, care este ulterior trimisă la receptor împreună cu ora exactă.

O altă componentă importantă a sistemului de navigație prin satelit este almanahul, care este un tabel cu parametrii orbitei satelitului pentru luna următoare. Almanahul, precum și corecția de timp, sunt calculate în centrul de control.

Sateliții transmit, de asemenea, date individuale de efemeride, pe baza cărora sunt calculate abaterile orbitale. Și având în vedere că viteza luminii nu este constantă nicăieri decât în ​​vid, trebuie luată în considerare întârzierea semnalului în ionosferă.

Transmiterea datelor în rețeaua GPS se realizează strict la două frecvențe: 1575,42 MHz și 1224,60 MHz. Diferiți sateliți difuzează pe aceeași frecvență, dar folosesc diviziunea codului CDMA. Adică, semnalul satelitului este doar zgomot, care poate fi decodat doar dacă aveți codul PRN corespunzător.

Abordarea de mai sus face posibilă asigurarea imunității ridicate la zgomot și utilizarea unui îngust gama de frecvente. Cu toate acestea, uneori, receptoarele GPS trebuie să caute sateliți pentru o lungă perioadă de timp, ceea ce este cauzat de o serie de motive.

În primul rând, receptorul nu știe inițial unde este satelitul, dacă se îndepărtează sau se apropie și care este decalajul de frecvență al semnalului său. În al doilea rând, contactul cu un satelit este considerat de succes numai atunci când se primește un set complet de informații de la acesta. Viteza de transmisie a datelor în rețeaua GPS depășește rar 50 bps. Și de îndată ce semnalul este întrerupt din cauza interferențelor radio, căutarea începe din nou.

Viitorul navigației prin satelit

Acum GPS și GLONASS sunt utilizate pe scară largă în scopuri pașnice și, de fapt, sunt interschimbabile. Cele mai recente cipuri de navigație acceptă atât standardele de comunicare și se conectează la acei sateliți care sunt găsiți primii.

GPS-ul american și GLONASS rusesc sunt departe de singurele sisteme de navigație prin satelit din lume. De exemplu, China, India și Japonia au început să implementeze propriile sisteme de satelit numite BeiDou, IRNSS și, respectiv, QZSS, care vor funcționa numai în țările lor și, prin urmare, necesită un număr relativ mic de sateliți.

Dar poate cel mai mare interes este în proiectul Galileo, care este dezvoltat de Uniunea Europeană și ar trebui să fie lansat la capacitate maximă înainte de 2020. Inițial, Galileo a fost conceput ca o rețea pur europeană, dar țările din Orientul Mijlociu și America de Sud și-au exprimat deja dorința de a participa la crearea acesteia. Deci, o „a treia forță” poate apărea în curând pe piața globală CLO. Dacă acest sistem este compatibil cu cele existente și, cel mai probabil, va fi, consumatorii vor beneficia doar - viteza de căutare a sateliților și precizia de poziționare ar trebui să crească.