Polohovací systém Glonass. Glonass alebo GPS – výhody a nevýhody

Myšlienka lokalizácie objektov pomocou umelých satelitov Zeme prišla na myseľ Američanov už v päťdesiatych rokoch minulého storočia. Sovietsky satelit však vedcov tlačil.

Americký fyzik Richard Kershner si uvedomil, že ak poznáte súradnice na zemi, môžete zistiť rýchlosť sovietskej kozmickej lode. Tu sa začalo nasadzovanie programu, ktorý sa neskôr stal známym ako GPS – globálny systém určovania polohy. V roku 1974 bol na obežnú dráhu vypustený prvý americký satelit. Tento projekt bol pôvodne určený pre vojenské oddelenia.

Ako funguje geolokácia

Pozrime sa na funkcie geopozície na príklade bežného sledovača. Až do aktivácie je zariadenie v pohotovostnom režime, GPS modul GLONASS je vypnutý. Táto možnosť slúži na šetrenie nabitia batérie a predĺženie doby výdrž batérie zariadení.

Počas aktivácie sa naraz spúšťajú tri procesy:

• Prijímač GPS začne analyzovať súradnice pomocou vstavaného programu. Ak sú v tomto momente zistené tri satelity, systém sa považuje za nedostupný. To isté sa deje s GLONASS;
• ak sledovač (napríklad navigátor) podporuje moduly dvoch systémov, potom zariadenie analyzuje informácie prijaté z oboch satelitov. Potom si prečíta informácie, ktoré považuje za spoľahlivé;
• ak v správnom čase nie sú dostupné signály oboch systémov, zapne sa GSM. Údaje získané týmto spôsobom však budú nepresné.

Preto, keď sa pýtate, čo si vybrať – GPS alebo GLONASS, vyberte si zariadenie, ktoré podporuje dva satelitné systémy. Nevýhody jedného z nich prekryje druhý. Prijímač má teda k dispozícii súčasne signály z 18-20 satelitov. To zaisťuje dobrú úroveň signálu a stabilitu a minimalizuje chyby.

Náklady na službu monitorovania GPS a GLONASS

Konečnú cenu zariadenia ovplyvňuje niekoľko faktorov:

• krajina pôvodu;
• aké navigačné systémy sa používajú;
• kvalita materiálov a doplnkové funkcie;
• údržba softvéru.

Najlacnejšou možnosťou je vybavenie čínskej výroby. Cena začína od 1000 rubľov. Nemali by ste však očakávať kvalitné služby. Za také peniaze dostane majiteľ obmedzenú funkčnosť a krátku životnosť.

Ďalším segmentom zariadení sú európski výrobcovia. Suma začína od 5 000 rubľov, ale na oplátku dostane kupujúci stajňu softvér a pokročilé funkcie.

Ruskí výrobcovia ponúkajú pomerne cenovo výhodné vybavenie za rozumné ceny. Ceny domácich sledovačov začínajú na 2 500 rubľov.

Samostatná nákladová položka - poplatok za predplatné a platby doplnkové služby. Mesačný poplatok pre domáce spoločnosti - 400 rubľov. Európski výrobcovia otvárajú ďalšie možnosti pre ďalšiu „mincu“.

Budete tiež musieť zaplatiť za inštaláciu zariadenia. V priemere inštalácia v servisné stredisko bude stáť 1500 rubľov.

Výhody a nevýhody GLONASS a GPS

Teraz sa pozrime na výhody a nevýhody jednotlivých systémov.

Satelity GPS sa na južnej pologuli takmer neobjavujú, zatiaľ čo GLONASS vysiela signály do Moskvy, Švédska a Nórska. Čistota signálu je v americkom systéme vyššia vďaka 27 aktívnym satelitom. Rozdiel v chybovosti „hrá do karát“ amerických satelitov. Pre porovnanie: nepresnosť GLONASS je 2,8 m, nepresnosť GPS je 1,8 m. Ide však o priemerný údaj. Čistota výpočtov závisí od polohy satelitov na obežnej dráhe. V niektorých prípadoch sú zariadenia zoradené tak, že sa zvyšuje miera nesprávneho výpočtu. Táto situácia nastáva v oboch systémoch.

Obnoviť

Ktorá teda vyhrá v porovnaní GPS vs GLONASS? Prísne vzaté, civilných používateľov nezaujíma, aké satelity používajú ich navigačné zariadenia. Oba systémy sú bezplatné a nachádzajú sa v otvorený prístup. Rozumným riešením pre vývojárov by bola vzájomná integrácia systémov. V tomto prípade bude mať tracker vo svojom „zornom poli“ potrebný počet zariadení aj pri nepriaznivých poveternostných podmienkach a rušení v podobe výškových budov.

GPS a GLONASS. Video k téme

Systém GLONASS je najväčší navigačný systém, ktorý umožňuje sledovať polohu rôznych objektov. Projekt spustený v roku 1982 sa stále aktívne rozvíja a zdokonaľuje. Okrem toho sa pracuje na technickej podpore GLONASS a na infraštruktúre, ktorá umožňuje čoraz viac ľudí používať systém. Ak sa teda v prvých rokoch existencie komplexu navigácia cez satelity používala najmä pri riešení vojenských problémov, dnes je GLONASS technologický nástroj na určovanie polohy, ktorý sa stal povinným v živote miliónov civilných používateľov.

Globálne satelitné navigačné systémy

Vzhľadom na technologickú náročnosť globálneho určovania polohy satelitov dnes tomuto názvu môžu plne zodpovedať iba dva systémy – GLONASS a GPS. Prvý je ruský a druhý je ovocím amerických vývojárov. Z technického hľadiska je GLONASS komplex špecializovaného hardvéru umiestneného na obežnej dráhe aj na zemi.

Na komunikáciu so satelitmi sa používajú špeciálne senzory a prijímače, ktoré čítajú signály a na základe nich generujú údaje o polohe. Na výpočet časových parametrov sa používajú špeciálne Používajú sa na určenie polohy objektu, berúc do úvahy vysielanie a spracovanie rádiových vĺn. Zníženie chýb umožňuje spoľahlivejší výpočet parametrov polohovania.

Funkcie satelitnej navigácie

V rozsahu úloh globálnych systémov satelitná navigácia zahŕňa určenie presnej polohy pozemných objektov. Okrem geografickej polohy vám globálne navigačné satelitné systémy umožňujú zohľadniť čas, trasu, rýchlosť a ďalšie parametre. Tieto úlohy sa realizujú prostredníctvom satelitov umiestnených na rôznych miestach nad zemským povrchom.

Využitie globálnej navigácie sa neobmedzuje len na dopravný priemysel. Satelity pomáhajú pri pátracích a záchranných operáciách, geodetických a stavebných prácach a nevyhnutná je aj koordinácia a údržba ďalších vesmírnych staníc a vozidiel. Vojenský priemysel tiež nezostáva bez podpory systému na podobné účely, poskytujúceho bezpečný signál určený špeciálne pre autorizované zariadenia rezortu obrany.

systém GLONASS

Systém začal naplno fungovať až v roku 2010, hoci sa pokúšali zaviesť komplex do aktívna práca sa vykonávajú od roku 1995. Problémy do značnej miery súviseli s nízkou životnosťou použitých satelitov.

Zapnuté momentálne GLONASS pozostáva z 24 satelitov, ktoré fungujú na rôznych miestach na obežnej dráhe. Vo všeobecnosti môže byť navigačná infraštruktúra reprezentovaná tromi komponentmi: riadiacim komplexom (zabezpečuje kontrolu zoskupovania na obežnej dráhe), ako aj navigáciou. technické prostriedky používateľov.

24 satelitov, z ktorých každý má svoju stálu nadmorskú výšku, je rozdelených do niekoľkých kategórií. Pre každú hemisféru je 12 satelitov. Prostredníctvom satelitných dráh sa nad zemským povrchom vytvára mriežka, prostredníctvom signálov ktorej sa určujú presné súradnice. Okrem tohto, satelit GLONASS Má tiež niekoľko záložných zariadení. Tiež sú každý na svojej vlastnej obežnej dráhe a nezaháľajú. Medzi ich úlohy patrí rozširovanie pokrytia v konkrétnom regióne a nahradenie zlyhávajúcich satelitov.

systém GPS

Americkým analógom GLONASS je systém GPS, ktorý tiež začal svoju činnosť v 80. rokoch minulého storočia, ale až od roku 2000 presnosť určovania súradníc umožnila jeho rozšírenie medzi spotrebiteľmi. Satelity GPS dnes zaručujú presnosť až 2-3 m Oneskorenie vo vývoji navigačných schopností na dlhú dobu bolo spôsobené umelými obmedzeniami polohy. Napriek tomu ich odstránenie umožnilo určiť súradnice s maximálnou presnosťou. Aj pri synchronizácii s miniatúrnymi prijímačmi sa dosiahne výsledok zodpovedajúci GLONASS.

Rozdiely medzi GLONASS a GPS

Medzi navigačnými systémami je niekoľko rozdielov. Rozdiel je najmä v charaktere usporiadania a pohybu satelitov na obežných dráhach. V komplexe GLONASS sa pohybujú po troch rovinách (osem satelitov pre každú) a systém GPS zabezpečuje prácu v šiestich rovinách (asi štyri na rovinu). Ruský systém teda poskytuje širšie pokrytie pozemného priestoru, čo sa prejavuje vyššou presnosťou. Krátkodobá „životnosť“ domácich satelitov však v praxi neumožňuje využiť plný potenciál systému GLONASS. GPS si zase zachováva vysokú presnosť vďaka nadbytočnému počtu satelitov. Napriek tomu ruský komplex pravidelne zavádza nové satelity, a to na cielené použitie aj ako záložnú podporu.

Používajú sa aj rôzne spôsoby kódovania signálu – Američania používajú kód CDMA a GLONASS používa FDMA. Keď prijímače počítajú údaje pre určenie polohy, ruský satelitný systém poskytuje komplexnejší model. V dôsledku toho si používanie GLONASS vyžaduje vysokú spotrebu energie, čo sa odráža na rozmeroch zariadení.

Čo umožňujú možnosti GLONASS?

Medzi základné úlohy systému patrí určenie súradníc objektu schopného interakcie s GLONASS. GPS v tomto zmysle plní podobné úlohy. Počítajú sa najmä parametre pohybu pozemných, morských a vzdušných objektov. Vozidlo vybavené príslušným navigátorom dokáže za pár sekúnd vypočítať charakteristiky vlastného pohybu.

Zároveň sa používanie globálnej navigácie už stalo povinným pre určité kategórie dopravy. Ak sa v roku 2000 rozšírenie satelitného určovania polohy týkalo kontroly určitých strategických objektov, dnes sú prijímače vybavené loďami a lietadlami, verejnou dopravou atď. s navigátormi GLONASS.

Aké zariadenia fungujú s GLONASS

Systém je schopný poskytovať nepretržité globálne služby všetkým kategóriám spotrebiteľov bez výnimky, bez ohľadu na klimatické, územné a časové podmienky. Ako služby GPS systémy, Navigátor GLONASS je poskytovaný bezplatne a kdekoľvek na svete.

Medzi zariadenia, ktoré dokážu prijímať satelitné signály patria nielen palubné navigačné pomôcky a prijímače GPS, ale aj mobilné telefóny. Údaje o polohe, smere a rýchlosti pohybu sa odosielajú na špeciálny server cez siete operátorov GSM. Pomáha pri používaní funkcií satelitnej navigácie špeciálny program GLONASS a rôzne aplikácie, ktoré spracovávajú mapy.

Kombinované prijímače

Územné rozšírenie satelitnej navigácie viedlo z pohľadu spotrebiteľa k spojeniu oboch systémov. V praxi sú zariadenia GLONASS často doplnené o GPS a naopak, čo zvyšuje presnosť určovania polohy a parametrov časovania. Technicky je to realizované prostredníctvom dvoch senzorov integrovaných do jedného navigátora. Na základe tejto myšlienky sa vyrábajú kombinované prijímače, ktoré pracujú súčasne so systémami GLONASS, GPS a súvisiacimi zariadeniami.

Takáto symbióza okrem zvýšenia presnosti určenia umožňuje sledovať polohu, keď nie sú detekované satelity jedného zo systémov. Minimálny počet orbitálnych objektov, ktorých „viditeľnosť“ je potrebná na prevádzku navigátora, sú tri jednotky. Ak sa teda stane napríklad nedostupný program GLONASS, na pomoc prídu satelity GPS.

Iné satelitné navigačné systémy

Európska únia, ako aj India a Čína vyvíjajú projekty podobné rozsahu ako GLONASS a GPS. plánuje implementovať systém Galileo pozostávajúci z 30 satelitov, ktorý bude dosahovať bezkonkurenčnú presnosť. V Indii sa plánuje spustenie systému IRNSS, ktorý funguje prostredníctvom siedmich satelitov. Navigačný komplex je orientovaný na domáce použitie. Systém Compass od čínskych vývojárov by sa mal skladať z dvoch segmentov. Prvý bude zahŕňať 5 satelitov a druhý - 30. Podľa toho si autori projektu predstavujú dva formáty služieb.

Článok o systémoch GLONASS a GPS: charakteristika satelitných systémov, ich vlastnosti a komparatívna analýza. Na konci článku je video o princípoch fungovania GPS a GLONASS.

Teraz sú sféry vplyvu rozdelené medzi ruský GLONASS, americký GPS (Global Positioning System) a čínske BeiDou, ktoré postupne naberá na obrátkach. Výber systému pre vaše vlastné auto môže byť určený vlasteneckými motívmi alebo môže byť založený na kompetentnom zvážení výhod a nevýhod tohto vývoja.

Základy satelitnej komunikácie

Satelity interagujúce s konkrétnym navigačným systémom mu vysielajú osobné signály, ktoré sa navzájom líšia. Na jasné určenie priestorových súradníc potrebuje navigátor iba informácie zo 4 satelitov. Nejde teda o jednoduchý automobilový prístroj, ale o jeden z prvkov zložitého mechanizmu na určovanie polohy v priestore.

Ako sa auto pohybuje, súradnice sa neustále menia. Preto je navigačný systém navrhnutý tak, že v určitých pravidelných intervaloch aktualizuje prijaté údaje a prepočítava vzdialenosť.

Tvorba systémov

V roku 1964 bol uvedený do prevádzky výlučne vojenský navigačný systém s názvom TRANZIT, ktorý sa stal prvým svetovým vývojom tejto úrovne. Uľahčil odpálenie rakiet z ponoriek, no presnosť lokalizácie objektu vypočítal len na vzdialenosť 50 metrov. Navyše tento objekt musel zostať absolútne nehybný.

Ukázalo sa, že prvý a v tom čase jediný navigátor na svete sa nedokázal vyrovnať s úlohou neustáleho určovania súradníc. Dôvodom bola skutočnosť, že pri prechode na nízku obežnú dráhu mohol satelit vysielať signály na Zem iba hodinu.

Ďalšia, modernizovaná verzia sa objavila o 3 roky neskôr spolu s novým satelitom Timation-1 a jeho bratom Timation-2. Spoločne vystúpili na vyššiu obežnú dráhu a spojili sa jednotný systém, s názvom „Navstar“. Začalo to ako vojenský vývoj, ale potom padlo rozhodnutie sprístupniť ho verejnosti pre potreby civilného obyvateľstva.

Tento systém stále funguje, s 32 satelitmi vo svojom arzenáli, ktoré poskytujú úplné pokrytie Zeme. Ďalších 8 zariadení je v zálohe pre nejakú nepredvídanú udalosť. Satelity sa pohybujú vo veľkej vzdialenosti od planéty na niekoľkých obežných dráhach a svoju revolúciu dokončia takmer za deň.

Koniec domáci systém GLONASS začala pracovať ešte v časoch Únie - mocná sila s vynikajúcim vedeckým myslením. Vypustenie umelej družice na obežnú dráhu odštartovalo konštrukčné práce pozičného systému.

Sovietsky zväz bol zničený, krajina bola v zúfalej tiesni a nedokázala nájsť rezervy, ktoré by priviedli high-tech systém k realizácii. Celý systém zahŕňal 24 satelitov, no pre finančné ťažkosti takmer polovica z nich nefungovala. Preto sa v tom čase, v 90. rokoch, GLONASS nemohol ani len priblížiť konkurencii GPS.

K dnešnému dňu Ruskí vývojári hodlajú dobehnúť a predbehnúť svojich amerických kolegov, čo už potvrdzuje rýchlejšiu revolúciu našich satelitov okolo Zeme. Hoci historicky ruský satelitný systém výrazne zaostával za americkým, tento rozdiel sa z roka na rok zmenšuje.

Výhody a nevýhody

Vo všeobecnosti je mnohým občanom jedno, aký druh satelitnej navigácie používa ich zariadenie. Obe sú dostupné bez obmedzení a poplatkov za všetko civilné obyvateľstvo, vrátane použitia v aute. Ak sa pozrieme z technického hľadiska, švédska satelitná spoločnosť oficiálne oznámila prednosti GLONASS, ktorý funguje oveľa lepšie v severných zemepisných šírkach.

Satelity GPS sa severne od 55. rovnobežky prakticky neobjavujú a na južnej pologuli teda južnejšie. Zatiaľ čo s uhlom sklonu 65 stupňov a nadmorskou výškou 19,4 tisíc km, satelity GLONASS dodávajú vynikajúce a stabilné signály do Moskvy, Nórska a Švédska, čo tak oceňujú zahraniční odborníci.

Hoci oba systémy majú veľké množstvo satelity vo všetkých obežných rovinách, iní odborníci stále dávajú dlaň GPS. Dokonca aj s aktívnym programom na zlepšenie ruského systému majú Američania v súčasnosti 27 satelitov oproti 24 ruským, čo dáva väčšiu jasnosť ich signálom.

Spoľahlivosť signálov GLONASS je 2,8 m v porovnaní s 1,8 m pre GPS. Tento údaj je však celkom priemerný, pretože satelity môžu byť na obežnej dráhe zoradené tak, že chybovosť sa niekoľkonásobne zvýši. Navyše, takáto situácia môže postihnúť oba satelitné systémy.

Z tohto dôvodu sa výrobcovia snažia vybaviť svoje zariadenia dvojsystémovou navigáciou, ktorá prijíma signály z GPS aj GLONASS.

Dôležitú úlohu zohráva kvalita pozemných zariadení, ktoré prijímajú a dešifrujú prijaté dáta.

GLONASS:

• zmena nebeských súradníc (efemeridy) vedie k nepresnosti pri určovaní súradníc, dosahujúcich 30 metrov;
• pomerne časté, aj keď krátkodobé prerušenie signálu;
• hmatateľný vplyv reliéfnych znakov na prehľadnosť získaných údajov.

• príjem chybného signálu v dôsledku viaccestného rušenia a atmosférickej nestability;
• výrazný rozdiel medzi civilnou verziou systému, ktorá má v porovnaní s vojenským vývojom príliš obmedzené možnosti.

Dvojsystémový

Cieľom návrhu teda je, aby každé prijímacie zariadenie dokázalo komunikovať s čo najväčším počtom satelitov. To sa opäť vracia k myšlienke spojenia GLONASS a GPS, ktorá sa už praktizuje v Amerike pre záchranné služby. Bez ohľadu na to, ako sa vzťahy medzi štátmi vyvíjajú, ľudský život je na prvom mieste a dvojsystémový čip určí polohu človeka v problémoch rýchlejšie a prehľadnejšie.

Takáto syntéza tiež ušetrí motoristov pred neschopnosťou zorientovať sa v neznámych oblastiach kvôli tomu, že navigátor je príliš pomalý na nadviazanie spojenia a spracovanie informácií trvá príliš dlho. Dôvodom je strata satelitu v dôsledku banálneho rušenia: vysoká budova, nadjazd alebo dokonca veľký nákladný automobil v susedstve. Ak je však autonavigátor vybavený dvojsystémovým čipom, pravdepodobnosť jeho zamrznutia sa výrazne zníži.

Keď sa táto prax rozšíri, navigátor sa nebude starať o krajinu pôvodu systému, pretože bude schopný súčasne sledovať až 40 satelitov, čo poskytne fantasticky presné určenie polohy.

Video o princípoch fungovania GPS a GLONASS:

Satelitnú navigáciu využívajú vodiči, cyklisti, turisti – aj ranní bežci sledujú svoju vlastnú trasu pomocou satelitov. Namiesto pýtania sa okoloidúcich, ako nájsť ten správny dom, väčšina radšej vytiahne smartfón a položí túto otázku GLONASS alebo GPS. Napriek tomu, že moduly satelitnej navigácie sú nainštalované v každom smartfóne a vo väčšine športových hodiniek, len jeden človek z desiatich rozumie tomu, ako tento systém funguje a ako nájsť ten správny v mori zariadení s funkciami GPS/GLONASS.

Ako funguje satelitný navigačný systém?

Skratka GPS znamená Global Positioning System: „globálny systém určovania polohy“, ak je preložený doslovne. Myšlienka použiť satelity na nízkej obežnej dráhe Zeme na určenie súradníc pozemných objektov sa objavila v 50-tych rokoch, hneď po tom, čo Sovietsky zväz vypustil prvý umelý satelit. Americkí vedci monitorovali satelitný signál a zistili, že jeho frekvencia sa mení, keď sa satelit približuje alebo vzďaľuje. Preto, keď poznáte svoje presné súradnice na Zemi, môžete vypočítať presnú polohu satelitu. Toto pozorovanie dalo impulz k rozvoju globálneho súradnicového výpočtového systému.

Spočiatku sa o objav začalo zaujímať námorníctvo - námorné laboratórium sa začalo s vývojom, ale časom sa rozhodlo o vytvorení jednotného systému pre všetky ozbrojené sily. Po prvé GPS satelit vypustený na obežnú dráhu v roku 1978. V súčasnosti vysiela signály asi tridsať satelitov. Keď navigačný systém začal fungovať, americké vojenské oddelenia darovali všetkým obyvateľom planéty - otvorili bezplatný prístup k satelitom, takže každý mohol bezplatne používať systém globálneho určovania polohy, pokiaľ má prijímač.

Po Američanoch vytvoril Roskosmos svoj vlastný systém: prvý satelit GLONASS sa dostal na obežnú dráhu v roku 1982. GLONASS je globálny navigačný satelitný systém, ktorý funguje na rovnakom princípe ako ten americký. V súčasnosti je na obežnej dráhe 24 ruských satelitov, ktoré zabezpečujú koordináciu.

Na používanie jedného zo systémov, alebo ešte lepšie dvoch súčasne, potrebujete prijímač, ktorý bude prijímať signály zo satelitov, ako aj počítač na dešifrovanie týchto signálov: poloha objektu sa vypočíta na základe intervalov medzi prijímané signály. Presnosť výpočtu je plus mínus 5 m.

Čím viac satelitov zariadenie „vidí“, tým viac informácií môže poskytnúť. Na určenie súradníc stačí navigátorovi vidieť dva satelity, no ak nájde smer aspoň štyroch satelitov, zariadenie bude vedieť hlásiť napríklad rýchlosť pohybu objektu. Preto moderné navigačné zariadenia čítajú čoraz viac parametrov:

• Geografické súradnice objektu.
• Rýchlosť jeho pohybu.
• Nadmorská výška nad hladinou mora.

Aké chyby sa môžu vyskytnúť pri prevádzke GPS/GLONASS?

Satelitná navigácia je dobrá, pretože je dostupná nepretržite odkiaľkoľvek na planéte. Nech ste kdekoľvek, ak máte prijímač, môžete určiť súradnice a zostaviť trasu. V praxi však môže byť satelitný signál rušený fyzickými prekážkami alebo poveternostnými katastrofami: ak prechádzate podzemným tunelom a navyše nad ním zúri búrka, signál sa nemusí „dostať“ k prijímaču.

Tento problém bol vyriešený pomocou technológie A-GPS: predpokladá, že prijímač pristupuje k serveru cez alternatívne komunikačné kanály. To zase využíva dáta prijaté zo satelitov. Vďaka tomu môžete navigačný systém používať v miestnostiach, tuneloch aj v zlom počasí. Technológia A-GPS je určená pre smartfóny a iné osobné zariadenia, preto si pri výbere navigátora alebo smartfónu overte, či tento štandard podporuje. Môžete si tak byť istí, že zariadenie v rozhodujúcej chvíli nezlyhá.

Majitelia smartfónov sa niekedy sťažujú, že navigátor nefunguje presne alebo sa pravidelne „vypína“ a neurčuje súradnice. Spravidla je to spôsobené tým, že vo väčšine smartfónov je funkcia GPS/GLONASS štandardne vypnutá. Zariadenie využíva bunkové veže resp bezdrôtový internet. Problém je možné vyriešiť nastavením smartfónu a aktiváciou požadovanej metódy na určenie súradníc. Možno budete musieť kalibrovať kompas alebo resetovať navigátor.

Typy navigátorov

• Automobilový priemysel. Navigačný systém založený na satelitoch GLONASS alebo ich amerických analógoch môže byť súčasťou palubného počítača auta, ale častejšie si kupujú samostatné zariadenia. Nielenže určujú súradnice auta a umožňujú vám ľahko sa dostať z bodu A do bodu B, ale tiež chránia pred krádežou. Aj keď zločinci ukradnú auto, možno ho sledovať pomocou majáku. Ďalšou výhodou špeciálnych zariadení pre automobily je, že umožňujú inštaláciu antény - vďaka anténe môžete posilniť signál GLONASS.
• Turista. Ak môžete nainštalovať špeciálnu sadu máp do automobilového navigátora, potom sú na cestovné zariadenia kladené prísnejšie požiadavky: moderné modely umožňujú použitie rozšírenej sady máp. Najjednoduchším turistickým zariadením je však len prijímač signálu s jednoduchým počítačom. Možno ani neoznačí súradnice na mape, v takom prípade bude potrebná papierová mapa s navigačnou mriežkou. Teraz sa však takéto zariadenia kupujú len z ekonomických dôvodov.
• Smartfóny, tablety s prijímačom GPS/GLONASS. Smartfóny tiež umožňujú stiahnuť rozšírenú sadu máp. Môžu byť použité ako automobilové a turistické navigátory, hlavnou vecou je nainštalovať aplikáciu a stiahnuť potrebné mapy. Mnohé z užitočných navigačné programy- zadarmo, ale za niektoré musíte zaplatiť malú sumu.

Navigačné programy pre smartfóny

Jeden z najviac jednoduché programy, určený pre tých, ktorí sa nechcú hrabať vo funkcionalite: MapsWithMe. Umožňuje vám stiahnuť si mapu požadovaného regiónu zo siete a potom ju použiť, aj keď nie je k dispozícii internetové pripojenie. Program zobrazí polohu na mape, nájde objekty označené na tejto mape - môžete si ich uložiť ako záložky a použiť ich neskôr rýchle vyhľadávanie. Tu funkcia končí. Program používa iba vektorové mapy - iné formáty nie je možné načítať.

Majitelia Android zariadení môžu využívať program OsmAnd. Je vhodný pre vodičov a chodcov, pretože umožňuje automaticky vykresliť trasu po cestách alebo horských cestičkách. Navigátor GLONASS vás prevedie po trase hlasové príkazy. Okrem vektorových máp môžete použiť aj rastrové mapy, ako aj označovanie trasových bodov a zaznamenávanie trás.

Najbližšou alternatívou k OsmAnd je aplikácia Locus Map. Je vhodný pre peších turistov, keďže pripomína klasiku navigačné zariadenie pre turistov, ktoré sa používali pred príchodom smartfónov. Používa vektorové aj rastrové mapy.

Cestovné zariadenia

Smartfóny a tablety môžu nahradiť vyhradené zariadenie GPS/GLONASS pre turistiku, ale toto riešenie má svoje nevýhody. Na jednej strane, ak máte smartfón, nemusíte kupovať žiadne ďalšie zariadenia. S mapou sa na veľkej a jasnej obrazovke pracuje jednoducho a výber aplikácií je široký – uviedli sme len niekoľko programov, nie je možné pokryť všetky ponuky. Smartfón má však aj nevýhody:

• Rýchlo sa vybíja. V priemere zariadenie funguje jeden deň av režime neustáleho vyhľadávania súradníc - ešte menej.
• Vyžaduje starostlivé zaobchádzanie. Samozrejme, existujú bezpečné smartfóny, no okrem toho, že sú drahé, spoľahlivosť takéhoto smartfónu sa stále nedá porovnávať so špeciálnym turistickým zariadením GLONASS. Môže byť úplne vodotesný.

Pre viacdňové túry vo voľnej prírode boli vyvinuté špecializované prístroje vo vodotesných obaloch a s výkonné batérie. Pri výbere takéhoto zariadenia je však dôležité dbať na to, aby podporovalo vektorové aj rastrové mapy. Rastrová mapa je obrázok spojený so súradnicami. Môžete si vziať papierovú mapu, naskenovať ju, prepojiť ju so súradnicami GLONASS – a získate rastrovú mapu. Vektorové mapy nie sú obrázok, ale súbor objektov, ktoré program umiestni na obrázok. Systém vám umožňuje spustiť vyhľadávanie podľa objektov, ale vytvoriť takýto diagram sami je ťažké.

Satelitné navigačné systémy GLONASS a GPS. Časť 1

E. Povalyaev, S. Chutornoy

Satelitné navigačné systémy GLONASS a GPS. Časť 1

Dávame do pozornosti sériu článkov venovaných satelitným rádionavigačným systémom Glonass (globálny navigačný satelitný systém) a GPS (Global Positioning System). Prvý článok zo série pojednáva o konštrukcii a prevádzke systémov, štruktúre a funkciách spotrebiteľských zariadení (prijímačov), algoritmoch na riešenie navigačného problému a perspektívach vývoja systémov.

Od staroveku sa cestujúci pýtali: ako určiť svoju polohu na Zemi? Starovekí navigátori sa riadili hviezdami, ktoré udávali smer cesty: s vedomím priemernej rýchlosti a času cesty bolo možné navigovať vo vesmíre a určiť vzdialenosť ku konečnému cieľu. Poveternostné podmienky však neboli vždy v prospech vedcov, takže nebolo ťažké stratiť kurz. S príchodom kompasu sa úloha výrazne zjednodušila. Cestovateľ bol už menej závislý od počasia.

Rozhlasová éra otvorila ľuďom nové možnosti. S príchodom radarových staníc, keď bolo možné merať parametre pohybu a relatívnu polohu objektu z radarového lúča odrazeného od jeho povrchu, vyvstala otázka o možnosti merania parametrov pohybu objektu z vysielaného signálu. V roku 1957 v ZSSR skupina vedcov vedená V.A. Kotelniková experimentálne potvrdila možnosť stanovenia parametrov pohybu umelej družice Zeme (AES) na základe výsledkov meraní Dopplerovho frekvenčného posunu signálu vysielaného týmto satelitom. Ale čo je najdôležitejšie, bola stanovená možnosť riešenia inverzného problému - nájdenie súradníc prijímača z nameraného Dopplerovho posunu signálu vysielaného zo satelitu, ak sú známe parametre pohybu a súradnice tohto satelitu. Družica pri pohybe na obežnej dráhe vysiela signál určitej frekvencie, ktorej nominálna hodnota je na prijímacom konci (spotrebiteľovi) známa. Poloha satelitu v každom časovom okamihu je presnejšie známa, možno ju vypočítať na základe informácií obsiahnutých v satelitnom signáli. Používateľ, ktorý meria frekvenciu signálu, ktorý k nemu prichádza, ju porovnáva s referenčným a vypočítava tak Dopplerov frekvenčný posun v dôsledku pohybu satelitu. Merania sa vykonávajú nepretržite, čo umožňuje skonštruovať určitú funkciu zmeny Dopplerovej frekvencie. V určitom časovom bode sa frekvencia stane nulovou a potom zmení znamienko. V momente, keď sa Dopplerova frekvencia rovná nule, spotrebiteľ je na priamke, ktorá je normálna k vektoru pohybu satelitu. Pomocou závislosti sklonu krivky Dopplerovej frekvencie od vzdialenosti medzi spotrebičom a satelitom a meraním časového okamihu, keď je Dopplerova frekvencia nulová, je možné vypočítať súradnice spotrebiča.

Umelá družica Zeme sa tak stáva rádionavigačnou referenčnou stanicou, ktorej súradnice sa menia v čase v dôsledku orbitálneho pohybu družice, ale dajú sa vopred vypočítať v akomkoľvek časovom okamihu vďaka efemeridovým informáciám zabudovaným do navigačného signálu družice.

V rokoch 1958-1959 na Leningradskej leteckej inžinierskej akadémii (LVVIA) pomenovanej po. A.F. Mozhaisky, Ústav teoretickej astronómie Akadémie vied ZSSR, Ústav elektromechaniky Akadémie vied ZSSR, dva námorné výskumné ústavy a Gorkého vedecký výskumný ústav fyzikálnych vied uskutočnili výskum na tému "Sputnik", ktorý sa neskôr stal základ pre vybudovanie prvého domáceho navigačného satelitného systému na nízkej obežnej dráhe „Cicada“. A v roku 1963 sa začalo pracovať na budovaní tohto systému. V roku 1967 bol na obežnú dráhu vypustený prvý domáci navigačný satelit Kosmos-192. Charakteristickým znakom rádionavigačných satelitných systémov prvej generácie je použitie satelitov na nízkej obežnej dráhe a využitie signálu z jedného aktuálne viditeľného satelitu na meranie navigačných parametrov objektu. Následne boli satelity systému „Cicada“ vybavené prijímacím zariadením na detekciu objektov v núdzi.

Paralelne s tým, po úspešnom vypustení prvej umelej družice Zeme zo strany ZSSR, v USA v Laboratóriu aplikovanej fyziky Univerzity Johnsa Hopkinsa prebiehajú práce súvisiace s možnosťou merania parametrov vysielaného signálu. cez satelit. Na základe meraní sa vypočítajú parametre pohybu družice voči pozemnému pozorovaciemu bodu. Vyriešenie inverzného problému je otázkou času.

Na základe týchto štúdií bola v roku 1964 v USA vytvorená prvá generácia Dopplerovho satelitného rádiového navigačného systému „Transit“. Jeho hlavným účelom je navigačná podpora pri odpaľovaní balistických rakiet Polaris z ponoriek. Za otca systému je považovaný riaditeľ Laboratória aplikovanej fyziky R. Kershner. Systém sa stal dostupným pre komerčné využitie v roku 1967. Rovnako ako v systéme Cicada, aj v systéme Transit sú zdrojové súradnice vypočítané z Dopplerovho frekvenčného posunu signálu z jedného zo 7 viditeľných satelitov. Satelitné systémy majú kruhové polárne dráhy s výškou nad povrchom Zeme ~ 1100 km, obežná doba satelitov Transit je 107 minút. Presnosť výpočtu súradníc zdroja v systémoch prvej generácie do značnej miery závisí od chyby pri určovaní rýchlosti zdroja. Takže ak je rýchlosť objektu určená s chybou 0,5 m, potom to zase povedie k chybe pri určovaní súradníc ~ 500 m Pre stacionárny objekt sa táto hodnota zníži na 50 m.

Okrem toho v týchto systémoch nie je možná nepretržitá prevádzka. Vzhľadom na skutočnosť, že systémy sú na nízkej obežnej dráhe, čas, počas ktorého je satelit v zornom poli spotrebiteľa, nepresahuje jednu hodinu. Okrem toho čas medzi prechodom rôznych satelitov v zóne viditeľnosti spotrebiteľa závisí od zemepisnej šírky, v ktorej sa spotrebiteľ nachádza, a môže sa pohybovať od 35 do 90 minút. Skrátenie tohto intervalu zvýšením počtu satelitov je nemožné, pretože všetky satelity vysielajú signály na rovnakej frekvencii.

V dôsledku toho majú satelitné navigačné systémy druhej generácie množstvo významných nevýhod. V prvom rade je nedostatočná presnosť pri určovaní súradníc dynamických objektov. Ďalšou nevýhodou je nedostatočná kontinuita meraní.

Jedným z hlavných problémov, ktoré vznikajú pri vytváraní satelitných systémov, ktoré poskytujú navigačné definície pre viacero satelitov, je vzájomná synchronizácia satelitných signálov (časových mierok) s požadovanou presnosťou. Nesúlad referenčných oscilátorov satelitov o 10 ns vedie k chybe pri určovaní súradníc spotrebiteľa 10–15 m. Druhým problémom, ktorému vývojári čelili pri vytváraní satelitných navigačných systémov na vysokých obežných dráhach, bolo vysoko presné určenie a predikcia parametrov satelitnej dráhy. Prijímacie zariadenie, ktoré meria oneskorenie signálov z rôznych satelitov, vypočítava súradnice spotrebiteľa.

Na tieto účely vyvinulo americké námorníctvo v roku 1967 program, ktorý vypustil satelit TIMATION-I a v roku 1969 satelit TIMATION-II. Na palube týchto satelitov boli použité kryštálové oscilátory. V rovnakom čase americké letectvo súčasne pokračovalo vo svojom programe používania širokopásmových signálov modulovaných pseudo-šumom (PRN). Korelačné vlastnosti takéhoto kódu umožňujú použiť jednu frekvenciu signálu pre všetky satelity s kódovým oddelením signálov z rôznych satelitov. Neskôr, v roku 1973, boli tieto dva programy spojené do jedného spoločného programu s názvom „Navstar-GPS“. V roku 1996 bolo nasadenie systému ukončené. V súčasnosti je k dispozícii 28 aktívnych satelitov.

V ZSSR sa letové skúšky satelitného navigačného systému na vysokej obežnej dráhe Glonass začali v roku 1982 vypustením satelitu Cosmos-1413. Hlavným vývojárom a tvorcom pre systém ako celok a pre vesmírny segment je NPO Applied Mechanics (Krasnojarsk) a pre navigačné kozmické lode - PO Polet (Omsk). Hlavným developerom rádiotechnických komplexov je RNIIKP; Ruský inštitút rádiovej navigácie a času bol určený ako zodpovedný za vytvorenie dočasného komplexu, synchronizačného systému a navigačného zariadenia pre spotrebiteľov.

Sieťový rádionavigačný satelitný systém (RNSS) Glonass

Systém Glonass je určený na globálnu operačnú navigáciu objektov pohybujúcich sa na povrchu. SRNSS bol vyvinutý na základe príkazu ministerstva obrany. Svojou štruktúrou je Glonass, podobne ako GPS, považovaný za dvojčinný systém, to znamená, že ho možno použiť na vojenské aj civilné účely.

Systém ako celok obsahuje tri funkčné časti (v odbornej literatúre sa tieto časti nazývajú segmenty) (obr. 1).

Obrázok 1. Segmenty navigačných systémov na vysokej obežnej dráhe Glonass a GPS

• vesmírny segment, ktorý zahŕňa orbitálnu konšteláciu umelých družíc Zeme (inými slovami navigačné kozmické lode);
• riadiaci segment, pozemný riadiaci komplex (GCU) pre orbitálnu konšteláciu kozmických lodí;
• zariadenie používateľa systému.

Z týchto troch častí je najpočetnejšia posledná, používateľská výbava. Systém Glonass je bez dopytu, takže na počte používateľov systému nezáleží. Okrem hlavnej funkcie - navigačných definícií - systém umožňuje veľmi presnú vzájomnú synchronizáciu frekvenčných a časových štandardov na vzdialených pozemných objektoch a vzájomnú geodetickú referenciu. Okrem toho sa dá použiť na určenie orientácie objektu na základe meraní zo štyroch prijímačov navigačných satelitných signálov.

V systéme Glonass sa ako rádionavigačná referenčná stanica používajú navigačné kozmické lode (NSV) rotujúce po kruhovej geostacionárnej dráhe vo výške ~ 19 100 km (obr. 2). Doba obehu satelitu okolo Zeme je v priemere 11 hodín 45 minút. Prevádzková doba satelitu je 5 rokov, počas ktorých by sa parametre jeho obežnej dráhy nemali líšiť od nominálnych hodnôt o viac ako 5%. Samotný satelit je hermetický kontajner s priemerom 1,35 m a dĺžkou 7,84 m, vo vnútri ktorého sú umiestnené rôzne druhy zariadení. Všetky systémy sú napájané z solárne panely. Celková hmotnosť satelitu je 1415 kg. Palubná výbava zahŕňa: palubný navigačný vysielač, chronizér (hodiny), palubný riadiaci komplex, orientačný a stabilizačný systém a pod.

Obrázok 2. Vesmírny segment systémov GLONASS a GPS

Obrázok 3. Segment pozemného riadiaceho komplexu systému Glonass

Obrázok 4. Segment pozemného riadiaceho komplexu systému GPS

Segment pozemného riadiaceho komplexu systému GLONASS vykonáva nasledujúce funkcie:

• efemeridová a časovo-frekvenčná podpora;
• rádionavigačné monitorovanie poľa;
• rádiotelemetrické monitorovanie satelitov;
• príkazové a programové rádiové ovládanie satelitu.

Na synchronizáciu časových mier rôznych satelitov s požadovanou presnosťou sa na palube satelitu používajú cézové frekvenčné štandardy s relatívnou nestabilitou rádovo 10-13. Pozemný riadiaci komplex využíva vodíkový štandard s relatívnou nestabilitou 10-14. Okrem toho NKU obsahuje prostriedky na korekciu satelitných časových mierok vzhľadom na referenčnú stupnicu s chybou 3–5 ns.

Pozemný segment poskytuje efemeridovú podporu satelitom. To znamená, že parametre pohybu satelitov sa určujú na zemi a hodnoty týchto parametrov sa predpovedajú na vopred určené časové obdobie. Parametre a ich predpoveď sú zahrnuté v navigačnej správe vysielanej satelitom spolu s prenosom navigačného signálu. To zahŕňa aj časovo-frekvenčné korekcie palubnej časovej stupnice satelitu vo vzťahu k systémovému času. Meranie a prognóza pohybových parametrov satelitu sa vykonáva v Balistickom centre systému na základe výsledkov meraní trajektórie vzdialenosti k satelitu a jeho radiálnej rýchlosti.

Sieťový rádionavigačný satelitný systém GPS

Americký systém GPS svojim spôsobom funkčnosť podobne ako v domácom systéme Glonass. Jeho hlavným účelom je vysoko presné určenie spotrebiteľských súradníc, zložiek vektora rýchlosti a väzba na systémovú časovú škálu. Podobne ako v domácom, aj systém GPS bol vyvinutý pre americké ministerstvo obrany a je pod jeho kontrolou. Podľa dokumentu o riadení rozhrania sú hlavnými vývojármi systému:

• pre vesmírny segment – ​​Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
• v segmente manažmentu - IBM, Federal System Company;
• podľa spotrebiteľského segmentu - Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Rovnako ako systém Glonass, GPS pozostáva z vesmírneho segmentu, pozemného veliteľského a meracieho komplexu a spotrebiteľského segmentu.

Ako už bolo spomenuté vyššie, orbitálna konštelácia GPS pozostáva z 28 navigačných kozmických lodí. Všetky sú na kruhových dráhach s dobou obehu okolo Zeme rovnajúcou sa 12 hodinám. Orbitálna výška každého satelitu je ~ 20 000 km. Satelity systému GPS prešli množstvom vylepšení, ktoré ovplyvnili ich celkový výkon. V tabuľke 1 sú dané stručná charakteristika kozmická loď použitá v systéme.

Tabuľka 1. Charakteristika kozmických lodí používaných v systéme GPS

Tabuľka 2. Porovnávacie charakteristiky systémov GLONASS a GPS

Pri navrhovaní systému vo všeobecnosti a satelitov zvlášť sa veľká pozornosť venuje otázkam autonómnej prevádzky. Tak poskytla kozmická loď prvej generácie (Block-I). normálna práca systému (tzn. bez výrazných chýb pri určovaní súradníc) bez zásahu z riadiaceho segmentu po dobu 3–4 dní. V zariadeniach Block-II sa toto obdobie predĺžilo na 14 dní. V novej modifikácii NKA Block-IIR umožňuje autonómnu prevádzku po dobu 180 dní bez úpravy orbitálnych parametrov zo zeme, len s využitím autonómneho satelitného komplexu vzájomnej synchronizácie. Zariadenia Block-IIF sú určené na použitie ako náhrada opotrebovaných blokov IIR.

Štruktúra navigačných rádiových signálov systému Glonass

Systém Glonass využíva signály frekvenčného delenia MA (FDMA) vysielané každým satelitom - dva signály s fázovým posunom. Frekvencia prvého signálu je v rozsahu L1 ~ 1600 MHz a frekvencia druhého je v rozsahu L2 ~ 1250 MHz. Nominálne hodnoty prevádzkových frekvencií rádiových signálov prenášaných v pásmach L1 a L2 sú určené výrazom:

fk1 = f1 + kDf1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)

kde k = 0,1,...,24 - čísla písmen (kanálov) prevádzkových frekvencií satelitov;

f1 = 1602 MHz; Df1 = 9/16 = 0,5625 MHz;
f2 = 1246 MHz; Df2 = 7/16 = 0,4375 MHz.

Pre každý satelit sú prevádzkové frekvencie signálov v rozsahoch L1 a L2 koherentné a sú tvorené jedným frekvenčným štandardom. Pomer prevádzkových nosných frekvencií každého satelitu je:

Dfk1/Dfk2 = 7/9.

Nominálna hodnota frekvencie palubného generátora z pohľadu pozorovateľa umiestneného na zemskom povrchu je 5,0 MHz.

V rozsahu L1 každý satelit systému Glonass vysiela 2 nosné na rovnakej frekvencii, posunuté voči sebe vo fáze o 90º (obr. 5).

Obrázok 5. Vektorový diagram nosných signálov systémov GLONASS a GPS

Jeden z nosičov prejde kľúčovaním s fázovým posunom o 180º. Modulačný signál sa získa pridaním modulo 2 troch binárnych signálov (obr. 6):

• hrubý kód diaľkomeru prenášaný rýchlosťou 511 Kbit/s (obr. 6c);
• sekvencie navigačných dát prenášané rýchlosťou 50 bit/s (obr. 6a);
• meandrové kmitanie prenášané rýchlosťou 100 bit/s (obr. 6b).

Obrázok 6. Štruktúra signálu GLONASS

Signál v rozsahu L1 (podobný kódu C/A v GPS) je dostupný pre všetkých spotrebiteľov v dosahu viditeľnosti kozmickej lode. Signál v pásme L2 je určený na vojenské účely a jeho štruktúra nie je zverejnená.

Zloženie a štruktúra navigačných správ zo satelitov systému Glonass

Navigačná správa sa tvorí vo forme nepretržite nasledujúcich riadkov, z ktorých každý trvá 2 sekundy. Prvá časť riadku (interval 1,7 s) obsahuje navigačné údaje a druhá (0,3 s) obsahuje časovú pečiatku. Je to skrátená pseudonáhodná sekvencia pozostávajúca z 30 znakov s hodinovou frekvenciou 100 bps.

Navigačné správy zo satelitov systému Glonass potrebujú spotrebitelia na určenie navigácie a plánovanie komunikačných relácií so satelitmi. Navigačné správy sa podľa obsahu delia na prevádzkové a neprevádzkové informácie.

Prevádzkové informácie sa týkajú satelitu, z ktorého bol signál prijatý. Prevádzkové informácie zahŕňajú:

• digitalizácia časových pečiatok;
• relatívny rozdiel medzi nosnou frekvenciou satelitu a nominálnou hodnotou;
• efemeridové informácie.

Načasovanie efemeridových informácií a časovo-frekvenčné korekcie, ktoré majú polhodinový násobok od začiatku dňa, umožňujú presne určiť zemepisné súradnice a rýchlosť satelitu.

Neprevádzkové informácie obsahujú almanach vrátane:

• údaje o stave všetkých satelitov v systéme;
• posun satelitnej časovej mierky vzhľadom na systémovú mierku;
• orbitálne parametre všetkých satelitov v systéme;
• korekcia na časovú škálu systému Glonass.

Výber optimálnej „konštelácie“ kozmickej lode a predpoveď Dopplerovho posunu nosnej frekvencie je zabezpečený analýzou systémového almanachu.

Navigačné správy zo satelitov systému Glonass sú štruktúrované vo forme superrámcov s trvaním 2,5 minúty. Supersnímka pozostáva z piatich snímok s trvaním 30 s. Každý rámec obsahuje 15 riadkov s trvaním 2 s. Z doby trvania riadku 2 s zaberá posledná 0,3 s časová pečiatka. Zvyšok riadku obsahuje 85 znakov digitálnej informácie prenášanej na frekvencii 50 Hz.

Každý rámec obsahuje celé množstvo prevádzkových informácií a časť systémového almanachu. Kompletný almanach je obsiahnutý v celom superrámci. V tomto prípade sa informácie o superrámci obsiahnuté v riadkoch 1–4 týkajú satelitu, z ktorého pochádzajú (prevádzková časť) a v rámci superrámca sa nemenia.

Štruktúra rádiových navigačných signálov systému GPS

Systém GPS používa kódové delenie MA (CDMA), takže všetky satelity vysielajú signály s rovnakú frekvenciu. Každý satelit GPS vysiela dva signály s fázovým posunom. Frekvencia prvého signálu je L1 = 1575,42 MHz a druhého signálu je L2 = 1227,6 MHz. Signál nosnej frekvencie L1 je modulovaný dvoma binárnymi postupnosťami, z ktorých každá je tvorená súčtom modulo 2 kódu diaľkomeru a prenášaných systémových a navigačných údajov, generovaných rýchlosťou 50 bit/s. Na frekvencii L1 sa vysielajú dve kvadratúrne zložky, dvojfázovo ovládané binárnymi sekvenciami. Prvá sekvencia je súčet modulo 2 presného kódu P alebo klasifikovaného kódu Y a navigačných údajov. Druhá sekvencia je tiež súčtom modulo 2 hrubého C/A (otvoreného) kódu a rovnakej sekvencie navigačných údajov.

Rádiový signál L2 je dvojfázovo ovládaný iba jednou z dvoch predtým diskutovaných sekvencií. Výber modulačnej sekvencie sa vykonáva príkazom zo Zeme.

Každý satelit používa kódy diaľkomeru C/A a P(Y), ktoré sú pre neho jedinečné, čo umožňuje oddelenie satelitných signálov. V procese vytvárania presného rozsahu P(Y) kódu sa súčasne vytvárajú časové značky satelitného signálu.

Zloženie a štruktúra navigačných správ z GPS satelitov

Štrukturálne rozdelenie navigačných informácií zo satelitov GPS sa vykonáva na superrámce, rámce, podrámce a slová. Supersnímka sa vytvorí z 25 snímok a trvá 750 s (12,5 min). Jeden rámec sa prenesie do 30 s a má veľkosť 1500 bitov. Rámec je rozdelený na 5 podrámcov po 300 bitoch a prenáša sa v intervale 6 s. Začiatok každého podrámca označuje časovú značku zodpovedajúcu začiatku/koncu nasledujúceho 6-sekundového časového intervalu systému GPS. Podrámec pozostáva z 10 30-bitových slov. V každom slove je 6 najmenej významných bitov kontrolných bitov.

V 1., 2. a 3. podrámci sa prenášajú údaje o parametroch korekcie hodín a údaje o efemeridách kozmickej lode, s ktorou je nadviazaná komunikácia. Obsah a štruktúra týchto podrámcov zostáva rovnaká na všetkých stránkach superrámca. 4. a 5. podrámec obsahuje informácie o konfigurácii a stave všetkých kozmických lodí v systéme, almanachy kozmických lodí, špeciálne správy, parametre popisujúce vzťah GPS času s UTC atď.

Algoritmy na príjem a meranie parametrov satelitných rádiových navigačných signálov

Spotrebiteľský segment systémov GPS a GLONASS zahŕňa prijímače satelitného signálu. Meraním parametrov týchto signálov je vyriešený problém navigácie. Prijímač je možné rozdeliť na tri funkčné časti:

• rádiofrekvenčná časť;
• digitálny korelátor;
• CPU.

Z výstupu anténneho napájacieho zariadenia (antény) ide signál do rádiofrekvenčnej časti (obr. 7). Hlavnou úlohou tejto časti je zosilnenie vstupného signálu, filtrovanie, frekvenčná konverzia a analógovo-digitálna konverzia. Okrem toho hodinová frekvencia pre digitálnu časť prijímača pochádza z rádiofrekvenčnej časti prijímača. Z výstupu rádiofrekvenčnej časti sa digitálne vzorky vstupného signálu privádzajú na vstup digitálneho korelátora.

Obrázok 7. Zovšeobecnená štruktúra prijímača

V korelátore sa spektrum signálu prenáša na „nulovú“ frekvenciu. Toto sa dosiahne vynásobením vstupného signálu korelátora referenčnou harmonickou osciláciou v súčasnom a kvadratúrnom kanáli. Potom sa výsledok násobenia podrobí korelačnému spracovaniu vynásobením referenčným kódom diaľkomeru a akumuláciou počas obdobia kódu diaľkomeru. V dôsledku toho získame korelačné integrály I a Q. Hodnoty korelačných integrálov sa posielajú do procesora na ďalšie spracovanie a uzatvorenie slučiek PLL (phase-locked loop) a DLL (delay tracking circuit). Merania parametrov signálu v prijímači sa nerobia priamo zo vstupného signálu, ale z jeho presnej kópie generovanej systémom fázovo-fázový a CVD. Korelačné integrály I a Q umožňujú vyhodnotiť stupeň „podobnosti“ (korelácie) referenčného a vstupného signálu. Úlohou korelátora je okrem vytvárania integrálov I a Q vytvárať referenčný signál v súlade s riadiacimi akciami (riadiacimi kódmi) prichádzajúcimi z procesora. Okrem toho v niektorých prijímačoch korelátor generuje potrebné merania referenčných signálov a prenáša ich do procesora na ďalšie spracovanie. Súčasne, keďže referenčné signály v korelátore sú tvorené pomocou riadiacich kódov prichádzajúcich z procesora, potrebné merania referenčných signálov je možné vykonať priamo v procesore a podľa toho spracovať riadiace kódy, čo sa robí v mnohých moderné prijímače.

Aké parametre signálu meria korelátor (procesor)?

Rozsah v rádiotechnických meraniach je charakterizovaný dobou šírenia signálu z meraného objektu do meracieho bodu. V navigačných systémoch GPS/GLONASS je vysielanie signálov synchronizované so systémovou časovou mierkou, alebo presnejšie, s časovou mierkou satelitu vysielajúceho tento signál. Spotrebiteľ má zároveň informáciu o nesúlade medzi časovým rozsahom satelitu a systému. Digitálne informácie prenášané zo satelitu umožňujú určiť moment vysielania určitého fragmentu signálu (časovej pečiatky) satelitom v systémovom čase. Okamih prijatia tohto fragmentu je určený časovou mierkou prijímača. Časová stupnica prijímača (spotrebiteľa) je tvorená pomocou quartzových frekvenčných štandardov, preto dochádza k konštantnému „posunu“ časovej stupnice prijímača vzhľadom na systémovú časovú stupnicu. Rozdiel medzi okamihom príjmu fragmentu signálu, meraným na časovej stupnici prijímača, a okamihom vyžarovania jeho satelitom, meraným na stupnici satelitu, vynásobený rýchlosťou svetla, sa nazýva pseudovzdialenosť. Prečo pseudorange? Pretože sa líši od skutočného dosahu o hodnotu rovnajúcu sa súčinu rýchlosti svetla a „posunu“ časovej stupnice prijímača vzhľadom na časovú stupnicu systému. Pri riešení navigačného problému sa tento parameter určuje spolu so súradnicami spotrebiteľa (prijímača).

Korelačné integrály vytvorené v korelátore umožňujú sledovať moduláciu satelitného signálu informačnými symbolmi a vypočítať časovú značku vo vstupnom signáli. Časové pečiatky nasledujú v intervaloch 6 s pre GPS a 2 s pre GLONASS a tvoria akúsi 6 (2) sekundovú stupnicu. V rámci jedného dielika tejto stupnice tvoria periódy kódu diaľkomeru 1-ms stupnicu. Jedna milisekunda sa delí na jednotlivé prvky(čipy, v terminológii GPS): pre GPS - 1023, pre GLONASS - 511. Prvky kódu diaľkomeru teda umožňujú určiť dosah k satelitu s chybou ~ 300 m Pre presnejšie určenie si potrebujete poznať fázu generátora kódu diaľkomeru. Obvody na konštrukciu referenčných oscilátorov korelátora umožňujú určiť jeho fázu s presnosťou až 0,01 periódy, čo je presnosť určenia pseudorozsahu 3 m.

Na základe meraní parametrov referenčného harmonického kmitania generovaného systémom fázového závesu sa určuje frekvencia a fáza kmitania nosnej družice. Jeho odchýlka vzhľadom na nominálnu hodnotu poskytne Dopplerov frekvenčný posun, ktorý sa používa na odhad rýchlosti spotrebiteľa vzhľadom na satelit. Fázové merania nosiča navyše umožňujú objasniť dosah k satelitu s chybou niekoľkých mm.

Na určenie súradníc spotrebiteľa je potrebné poznať súradnice satelitov (najmenej 4) a vzdialenosť od spotrebiteľa ku každému viditeľnému satelitu. Aby spotrebiteľ mohol určiť súradnice satelitov, navigačné signály, ktoré vysielajú, sú modelované správami o parametroch ich pohybu. V spotrebiteľskom zariadení sú tieto správy izolované a súradnice satelitov sú určené v požadovanom čase.

Súradnice a zložky rýchlostného vektora sa menia veľmi rýchlo, takže správy o parametroch pohybu satelitov obsahujú informácie nie o ich súradniciach a zložkách rýchlostného vektora, ale informácie o parametroch nejakého modelu, ktorý aproximuje trajektóriu kozmickej lode. v pomerne veľkom časovom intervale (asi 30 minút). Parametre aproximačného modelu sa menia pomerne pomaly a možno ich považovať za konštantné počas aproximačného intervalu.

Parametre aproximačného modelu sú zahrnuté v správach satelitnej navigácie. Systém GPS využíva model pohybu Keplerian s oskulačnými prvkami. V tomto prípade je trajektória letu kozmickej lode rozdelená na približné úseky v trvaní jednej hodiny. V strede každej sekcie je nastavený uzlový bod v čase, ktorého hodnota je oznámená spotrebiteľovi navigačných informácií. Okrem toho je spotrebiteľ informovaný o parametroch modelu oskulačných prvkov v uzlovom bode v čase, ako aj o parametroch funkcií, ktoré aproximujú zmeny parametrov modelu oskulačných prvkov v čase pred uzlový prvok a naň nadväzujúci.

V spotrebnom zariadení je medzi časovým momentom, v ktorom je potrebné určiť polohu satelitu a uzlovým momentom, pridelený časový interval. Potom sa pomocou aproximačných funkcií a ich parametrov extrahovaných z navigačnej správy vypočítajú hodnoty parametrov modelu oskulačných prvkov v požadovanom čase. V poslednej fáze sa pomocou obvyklých vzorcov Keplerianovho modelu určia súradnice a zložky vektora rýchlosti satelitu.

Systém Glonass využíva modely diferenciálneho pohybu na určenie presnej polohy satelitu. V týchto modeloch sú súradnice a zložky vektora rýchlosti satelitu určené numerickou integráciou diferenciálnych rovníc pohybu kozmickej lode, pričom sa berie do úvahy konečný počet síl pôsobiacich na kozmickú loď. Počiatočné podmienky integrácie sú nastavené v uzlovom časovom momente, ktorý sa nachádza v strede aproximačného intervalu.

Ako už bolo spomenuté vyššie, na určenie súradníc spotrebiteľa je potrebné poznať súradnice satelitov (aspoň 4) a vzdialenosť od spotrebiteľa ku každému viditeľnému satelitu, ktorá je určená v navigačnom prijímači s presnosťou cca. 1 m, uvažujme o najjednoduchšom „plochom“ puzdre, znázornenom na obr. 8.

Obrázok 8. Určenie súradníc spotrebiteľov

Každý satelit (obr. 8) môže byť reprezentovaný ako bodový emitor. V tomto prípade bude predná časť elektromagnetickej vlny sférická. Priesečníkom oboch sfér bude ten, kde sa nachádza spotrebiteľ.

Výška obežných dráh satelitov je asi 20 000 km. V dôsledku toho môže byť druhý priesečník kružníc kvôli apriórnej informácii vyradený, pretože sa nachádza ďaleko vo vesmíre.

Diferenciálny režim

Satelitné navigačné systémy umožňujú spotrebiteľovi získať súradnice s presnosťou približne 10–15 m. Avšak pre mnohé úlohy, najmä pre navigáciu v mestách, je potrebná väčšia presnosť. Jedna z hlavných metód na zvýšenie presnosti určenia polohy objektu je založená na využití princípu diferenciálnych navigačných meraní, dobre známych v rádiovej navigácii.

Diferenciálny režim DGPS (Differential GPS) umožňuje nastaviť súradnice s presnosťou až 3 m v dynamickej navigačnej situácii a až 1 m v stacionárnych podmienkach. Diferenciálny režim sa realizuje pomocou riadiaceho prijímača GPS nazývaného referenčná stanica. Nachádza sa v bode so známymi súradnicami, v rovnakej oblasti ako hlavný prijímač GPS. Porovnaním známych súradníc (získaných ako výsledok presného geodetického zamerania) s nameranými vypočíta referenčná stanica korekcie, ktoré sú prenášané k spotrebiteľom rádiovým kanálom vo vopred určenom formáte.

Spotrebiteľské zariadenie prijíma diferenciálne korekcie z referenčnej stanice a berie ich do úvahy pri určovaní polohy spotrebiča.

Výsledky získané pomocou diferenciálnej metódy do značnej miery závisia od vzdialenosti medzi objektom a referenčnou stanicou. Použitie tejto metódy je najúčinnejšie, keď prevládajú systematické chyby spôsobené vonkajšími (vzhľadom na prijímač) príčinami. Podľa experimentálnych údajov sa odporúča umiestniť referenčnú stanicu nie ďalej ako 500 km od objektu.

V súčasnosti existuje mnoho celoplošných, regionálnych a miestnych diferenciálnych systémov.

Ako širokoplošné systémy stojí za zmienku také systémy ako americký WAAS, európsky EGNOS a japonský MSAS. Tieto systémy využívajú geostacionárne satelity na prenos opráv všetkým spotrebiteľom v rámci ich oblasti pokrytia.

Regionálne systémy sú určené na poskytovanie navigačnej podpory pre jednotlivé oblasti zemského povrchu. Regionálne systémy sa zvyčajne používajú vo veľkých mestách, na dopravných trasách a splavných riekach, v prístavoch a pozdĺž pobrežia morí a oceánov. Priemer pracovnej plochy regionálneho systému zvyčajne sa pohybuje od 500 do 2000 km. Môže obsahovať jednu alebo viac referenčných staníc.

Lokálne systémy majú maximálny dojazd 50 až 220 km. Zvyčajne zahŕňajú jeden základňová stanica. Miestne systémy sa zvyčajne delia podľa spôsobu ich aplikácie: námorné, letecké a geodetické lokálne diferenciálne stanice.

Vývoj satelitnej navigácie

Všeobecné smerovanie modernizácie satelitných systémov GPS aj Glonass je spojené so zvýšením presnosti navigačných definícií, zlepšením služieb poskytovaných používateľom, zvýšením životnosti a spoľahlivosti palubných satelitných zariadení, zlepšením kompatibility s inými rádiovými systémami a vývoj diferenciálnych subsystémov. Všeobecný smer vývoja systémov GPS a Glonass sa zhoduje, ale dynamika a dosiahnuté výsledky sú veľmi odlišné.

Vylepšenie systému GLONASS sa plánuje vykonať na základe satelitov novej generácie GLONASS-M. Tento satelit bude mať zvýšený zdroj služieb a bude vysielať navigačný signál v pásme L2 pre civilné aplikácie.

Podobné rozhodnutie padlo aj v USA, kde bolo 5. januára 1999 oznámené, že na modernizáciu systému GPS spojenú s prenosom C/A kódu na frekvencii L2 (1222,7 MHz) bude vyčlenených 400 miliónov dolárov, resp. zavedenie tretej nosnej L3 (1176,45 MHz) na kozmických lodiach, ktoré budú štartovať od roku 2005. Signál na frekvencii L2 je určený pre civilné potreby, ktoré priamo nesúvisia s ohrozením ľudského života. Navrhuje sa začať vykonávať toto rozhodnutie v roku 2003. Pre potreby civilného letectva bolo rozhodnuté využiť tretí civilný signál na frekvencii L3.

Literatúra

1. Rádiotechnické systémy. Ed. Kazarinova Yu.M. M.: Vyššia škola, 1990.
2. Soloviev Yu.A. Satelitné navigačné systémy. M.: Eko-trendy, 2000.
3. Globálny satelitný rádionavigačný systém GLONASS / Ed. V.N. Kharisová, A.I. Perová, V.A. Boldin. M.: IPRZHR, 1998.
4. Lipkin I.A. Satelitné navigačné systémy. M.: Univerzitná kniha, 2001.
5. Globálny navigačný satelitný systém GLONASS. Riadiaci dokument rozhrania. M.: KNITS VKS, 1995.
6. Dokument riadenia rozhrania: Používateľské rozhrania navigačného priestoru NAVSTAR GPS (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.