Grunnleggende om satellittnavigasjon koordinatsystem. Generelle prinsipper for drift av satellittnavigasjonssystemer

Å bestemme posisjonen din, både på land og til havs, i en skog eller i en by, er et spørsmål som er like relevant i dag som det har vært de siste århundrene. Tiden for oppdagelsen av radiobølger forenklet navigasjonsoppgaven betydelig og åpnet nye utsikter for menneskeheten på mange områder av liv og aktivitet, og med oppdagelsen av muligheten for å erobre verdensrommet, ble det gjort et stort gjennombrudd innen bestemme koordinatene til et objekts plassering på jorden. For å bestemme koordinater brukes et satellittnavigasjonssystem, som mottar nødvendig informasjon fra satellitter som befinner seg i bane.

Nå er det to globale koordinatbestemmelsessystemer i verden – det russiske GLONASS og det amerikanske NavStar, bedre kjent som GPS (en forkortelse for navnet Global Position System – globalt posisjoneringssystem).

GLONASS-satellittnavigasjonssystemet ble oppfunnet i Sovjetunionen tidlig på 80-tallet av forrige århundre og de første testene fant sted i 1982. Det ble utviklet etter ordre fra Forsvarsdepartementet og var spesialisert for operativ global navigering av objekter i bevegelse på bakken. .

Det amerikanske GPS-navigasjonssystemet ligner i struktur, formål og funksjonalitet til GLONASS og ble også utviklet etter ordre fra USAs forsvarsdepartement. Den har evnen til å nøyaktig bestemme både koordinatene til et bakkeobjekt og utføre tids- og hastighetsreferanse. NavStar har 24 navigasjonssatellitter i bane, og gir et kontinuerlig navigasjonsfelt over hele jordens overflate.

Mottakerindikatoren til et satellittnavigasjonssystem (GPS-navigator eller) mottar signaler fra satellitter, måler avstander til dem, og bruk av de målte områdene løser problemet med å bestemme koordinatene - breddegrad, lengdegrad og, når du mottar signaler fra 4 eller flere satellitter - høyde over havet, hastighet, retning (kurs), tilbakelagt distanse. Navigatoren inkluderer en mottaker for å motta signaler, en datamaskin for å behandle dem og navigasjonsberegninger, et display for visning av navigasjons- og serviceinformasjon, og et tastatur for å kontrollere driften av enheten.

Disse mottakerne er designet for permanent installasjon i styrehus og instrumentpaneler. Deres hovedtrekk er: tilstedeværelsen av en ekstern antenne og strøm fra en ekstern DC-kilde. De har vanligvis store monokrome flytende krystallskjermer med alfanumerisk og grafisk visning av informasjon.

:

Kompakt, vanntett, høyytelses GPS/DGPS/WAAS-mottaker designet for små båter. Denne GPS-mottakeren fra selskapet er i stand til å motta og behandle ytterligere DGPS/WAAS differensialkorreksjonssignaler. Denne egenskapen tillater nøyaktighet bedre enn 5 meter når du mottar korreksjoner fra et beacon eller WAAS geostasjonære satellitter.

Ny (D)GPS-navigator med innebygd differensialkorreksjonsmottaker. Baneleggingsteknologi lar deg lage langdistanseruter nøyaktig. Det er mulig å velge et rhoxodromic kurs (RL) for korte distanser og et ortodromic kurs (GC) for lange distanser.

Med stiplanleggingsteknologi kan du nøyaktig lage langdistanseruter. Det er mulig å velge et rhoxodromic kurs (RL) for korte distanser og et ortodromic kurs (GC) for lange distanser.

Faste mottakere har bred funksjonalitet, spesielt profesjonelle enheter for marin bruk. De har en stor mengde minne, evnen til å løse ulike navigasjonsproblemer, og grensesnittet deres tillater inkludering i fartøyets navigasjonssystem.

:

Dette er en moderne mottakerindikator for GLONASS/GPS satellittnavigasjonssystemer designet for fartøy av alle typer.

Utviklet av spesialister fra Radio Complex-selskapet ved å bruke de siste prestasjonene innen marin navigasjon. RK-2006 har evnen til å motta signaler fra allerede utplasserte satellittkonstellasjoner, som GLONASS og GPS, men også fra lovende europeiske og asiatiske posisjoneringssystemer, dette tillater, med økt støyimmunitet og beskyttelse mot svikt i ethvert system, å bestemme koordinatene av fartøyet og dets kurs og hastighet.

Mottaker av globale navigasjonssatellittsystemer GPS og GLONASS, fra den sørkoreanske produsenten av marint radionavigasjonsutstyr Samyung ENC Co., Ltd - SGN-500.

Når du bruker GLONASS og GPS i kombinerte mottakere (nesten alle GLONASS-mottakere er kombinert), er nøyaktigheten av å bestemme koordinatene nesten alltid "utmerket" på grunn av det store antallet synlige romfartøyer og deres gode relative posisjon.

Viser navigasjonsinformasjon

GLONASS/GPS-mottakere bruker to metoder for å vise informasjon: alfanumerisk og grafisk (noen ganger brukes begrepet "pseudografisk").

Den alfanumeriske metoden for å vise den mottatte informasjonen bruker:

tall (koordinater, hastighet, tilbakelagt distanse osv.)
bokstavkombinasjoner som forklarer digitale data - vanligvis forkortelser av setninger (for eksempel MOV - "Man over bord" eller, på russisk, "Man over bord!"
ordforkortelser (for eksempel SPD - hastighet, TRK - Spor), navn på veipunkt. Alfanumerisk visning av informasjon i sin rene form ble brukt i den innledende fasen av utviklingen av GPS-teknologi.

Den grafiske visningsmetoden utføres ved hjelp av bilder dannet på skjermen, som representerer arten av bevegelsen til transportøren (skip, bil, person). Grafikken i enheter fra forskjellige selskaper er nesten den samme og varierer som regel i detaljer. De vanligste designene er:

elektronisk kompass (må ikke forveksles med magnetisk!)
grafisk bevegelsesindikator
trafikkvei, ruter
symboler for veipunkter
skipskoordinater
retning til veipunkt
hastighet

Kjennetegn:

Nøyaktighet av plasseringskoordinater

Nøyaktigheten av å bestemme koordinatene til et sted er en grunnleggende indikator for ethvert navigasjonssystem, hvis verdi vil avgjøre hvor riktig skipet vil følge den lagte ruten og om det ikke vil treffe nærliggende stimer eller steiner.

Nøyaktigheten til instrumenter vurderes vanligvis ut fra verdien av root mean square error (RMS) - intervallet som 72 % av målingene faller i, eller ved maksimal feil tilsvarende 95 %. De fleste produsenter anslår standardavviket til sine GPS-mottakere til 25 meter, noe som tilsvarer en maksimal feil på 50 meter.

Navigasjonsegenskaper

Navigasjonsmulighetene til GLONASS/GPS-mottakere er preget av antall veipunkter, ruter og veipunkter som er lagret av enheten. Med veipunkter mener vi karakteristiske punkter på overflaten som brukes til navigasjon.Moderne kan lage og lagre, avhengig av modell, fra 500 til 5000 veipunkter og 20–50 ruter med 20–30 punkter hver.

I tillegg til veipunkter har enhver mottaker en tilførsel av punkter for registrering og lagring av reist rute. Dette tallet kan nå fra 1000 til flere titusenvis av poeng hos profesjonelle navigatører. Den registrerte ruten kan brukes til å navigere tilbake langs den.

Antall satellitter som spores samtidig

Denne indikatoren karakteriserer stabiliteten til navigatoren og dens evne til å gi den høyeste nøyaktigheten. Med tanke på det faktum at for å bestemme to posisjonskoordinater - lengdegrad og breddegrad - må du spore 3 satellitter samtidig, og for å bestemme høyde - fire. Moderne GLONASS/GPS-navigatorer, selv bærbare, har 8- eller 12-kanals mottakere som samtidig kan motta og spore signaler fra henholdsvis opptil 8 eller 12 satellitter.

Nøkkelord: avstand til objekt; klokkesynkronisering; satellitt- og mottakerklokkefeil; efemeris.

Som et resultat av å studere materialet i andre kapittel, skal studenten:

vet

prinsipper for navigasjonsdefinisjoner i GNSS;
løse problemet med å bestemme plasseringen av et objekt;
faktorer som påvirker feilen ved navigasjonsmålinger;

være i stand til

oppsummere og systematisere vitenskapelig og teknisk informasjon knyttet til utviklingen av satellittnavigasjonsteknologier for objektplassering;
analysere og tolke resultatene av vitenskapelig forskning angående utvikling av ombord telematikkenheter, inkludert GLONASS og GPS satellittnavigasjonsmoduler;

egen

metoder for å bruke løsninger på navigasjonsproblemer for å overvåke bevegelsen til kjøretøy;
ferdigheter i å søke og analysere vitenskapelig og teknisk informasjon om utviklingen av GLONASS og GPS navigasjonsutstyr for veitransport.

PRINSIPPER FOR NAVIGASJONSDEFINISJONER I GLOBALE NAVIGASJONSATELLITTSYSTEMER

Det grunnleggende prinsippet som ligger til grunn for satellittnavigasjonssystemet er enkelt og har lenge vært brukt for navigasjon og orientering: hvis plasseringen av et referansepunkt og avstanden til det er kjent, kan du tegne en sirkel (i det tredimensjonale tilfellet, en sfære) hvor punktet skal plasseres mottakerplassering.

Prinsippet for å bestemme koordinatene til et objekt i GNSS-systemet er basert på å beregne avstanden fra det til flere satellitter, hvis eksakte koordinater er kjent. Informasjon om avstanden til minst tre satellitter lar deg bestemme koordinatene til et objekt som skjæringspunktet mellom kuler, hvis senter er satellittene, og radius er den målte avstanden til hver av satellittene (fig. 2.1) ). Ideen bak å måle avstanden til satellitter

Sputnik 1

Sputnik 2

Objektplassering

Sputnik 3

Ris. 2.1.Det enkleste tilfellet av satellittnavigasjon

Nick, er basert på den velkjente likheten: avstand er hastighet multiplisert med bevegelsestiden.

La oss forestille oss at mens vi er i en bil, ønsker vi å bestemme vår plassering på en lang og rett gate. Anta at det er en radiosender i enden av gaten som sender en klokkepuls hvert sekund. Bilen har en klokke som er synkronisert med radiosenderens klokke. Ved å måle reisetiden til pulsen fra senderen til bilen kan vi bestemme bilens posisjon på gaten (fig. 2.2).

Overført signal

Mottatt signal

Avstand th

Ris. 2.2.Bestemmelse av avstand etter tid og hastighet

signalutbredelse

Siden synkroniseringen av bilklokken med senderen ikke er perfekt, er det en forskjell mellom den beregnede avstanden og den faktiske avstanden. I navigasjon kalles denne feilverdien pseudoområde. Hvis tidsfeilen er ett mikrosekund (1 μs), vil feilen være 300 m, tatt i betraktning forplantningshastigheten til radiobølger.

Det ville være mulig å løse dette problemet ved å utstyre bilen med en atomklokke, men dette vil påvirke budsjettet betydelig. En annen løsning ville være å bruke en andre synkronisert sender, hvor avstanden er kjent. Ved å måle begge forplantningstidene kan avstanden bestemmes nøyaktig til tross for unøyaktigheten til den innebygde klokken (Figur 2.3). For nøyaktig å beregne posisjon og tid langs en linje (forutsatt at linjen bare strekker seg i én retning), må vi bruke to tidssendere. La oss vise at avstanden /) i dette tilfellet beregnes av formelen

(Ah! - Lt 2)s + L
(2.1)

hvor At, Dt 2 er signalets ankomsttid målt av kjøretøyets ombordklokke, henholdsvis fra den første og andre senderen; Med - lysets hastighet; EN- avstand mellom sendere.

Basert på første og andre pseudoområdemålinger, vil D og D bli bestemt av uttrykkene

D = OM+ 5s; (2.2)

D=(L-D + 5s, (2,3)

hvor 5 er feilen til bilklokken i sekunder.

Åpenbart, hvis bilens klokke er rask, så er tegn 5 positivt; hvis det er bak, så er tegn 5 negativt.

Erstatte pseudoområdene D og D i likheter (2.2), (2.3) med deres uttrykk når det gjelder lysets hastighet og den målte ankomsttiden til signalet (henholdsvis D = C Dt, G>2 = c - Dt 2) og etter å ha utført åpenbare transformasjoner, kommer vi til uttrykk (2.1).

Fra resonnementet ovenfor kan vi trekke følgende konklusjon: med usynkroniserte innebygde klokker som brukes til å beregne posisjonen, er det nødvendig å bruke antallet tidssignalsendere som overstiger antall ukjente målinger per enhet.

Ris. 2.3.

til tross for tidsfeil

Navigasjonsmottakeren måler tiden det tar for et radiosignal å nå et objekt fra satellitten, og bruker så denne tiden til å beregne avstanden.

Radiobølger beveger seg med lysets hastighet - 300 000 km/s. Hvis du nøyaktig bestemmer tidspunktet da satellitten begynte å sende radiosignalet, og øyeblikket da det ble mottatt, er det ikke vanskelig å bestemme tidspunktet for forplantning av radiosignalet. Multipliserer hastigheten på signalutbredelsen med tiden i sekunder, får vi avstanden til satellitten.

Bakkebaserte klokker må være svært nøyaktige fordi lyset beveger seg ekstremt raskt. For eksempel, hvis en GPS-satellitt var direkte over hodet, ville det bare ta ca. 65 ms for radiosignalet å reise fra satellitten til mottakeren på bakken (Figur 2.4).

Det globale navigasjonssatellittsystemet bygges ved hjelp av en tidsmålingsmetode basert på atomfrekvensstandarden. Relativ ustabilitet av frekvensstandarden til den innebygde synkroniseringsenheten til GLONASS navigasjonssatellitt (1-5) 10 -13 s per dag.

Den største vanskeligheten med å måle transittiden til et radiosignal er det nøyaktige tidspunktet da signalet ble sendt fra satellitten. For å gjøre dette, vendte GNSS-utviklere seg til følgende idé: synkroniser satellitter og mottakere slik at de genererer samme kode på nøyaktig samme tid. Med andre ord, mottakeren genererer sin

Satellitt-klokkeavlesninger Satellitt-klokkeavlesninger

og mottaker 0 ms og mottaker 65 ms

Signaloverføringstid (Starttid)

Signalmottakstid (Stopp tiden)

1_ Signal

Ris. 2.4.Fastsettelse av signalets transittid

intern kode samtidig med satellittsenderen, dvs. Ideelt sett bør den nøyaktig duplisere satellittkoden.

Deretter gjenstår det bare å motta koden fra satellitten og se hvor lenge siden mottakeren genererte den samme koden. For å gjøre dette sammenligner mottakeren tidsforskjellen mellom å motta den tilsvarende delen av satellittkoden med den samme delen av sin egen kode. Forskyvningen av en kode i forhold til en annen avslørt på denne måten vil tilsvare tiden det tar signalet å reise avstanden fra satellitten til mottakeren. Ved å kjenne til tidsforskyvningen og forplantningshastigheten til radiobølger, får mottakeren avstanden til satellitten, kalt pseudorange.

Fordelen med å bruke kodeskurer (kodesekvenser) er at tidsforskyvningsmålinger kan tas når som helst.

GNSS-systemet bruker en metode for å bestemme plassering etter rekkevidde til satellittlandemerker, som er lokalisert ved hjelp av en pseudo-tilfeldig kode. Både satellitter og mottakere genererer svært komplekse digitale kodesekvenser. Kodene er gjort mer komplekse med vilje slik at de kan sammenlignes pålitelig og entydig, så vel som av andre grunner. Uansett er kodene så komplekse at de ser ut som en lang rekke tilfeldige pulser. I virkeligheten er de nøye utvalgte «pseudo-tilfeldige sekvenser» som gjentar seg hvert millisekund.

I dag skal vi snakke om hva GPS er og hvordan dette systemet fungerer. La oss ta hensyn til utviklingen av denne teknologien og dens funksjonelle funksjoner. Vi vil også diskutere hvilken rolle interaktive kart spiller i driften av systemet.

Historien om GPS

Historien om fremveksten av det globale posisjoneringssystemet, eller bestemmelse av koordinater, begynte i USA tilbake på de fjerne 50-tallet med lanseringen av den første sovjetiske satellitten i verdensrommet. Et team av amerikanske forskere som overvåket oppskytingen la merke til at etter hvert som satellitten beveget seg bort, endret den gradvis signalfrekvensen. Etter en dyp analyse av dataene kom de til den konklusjon at ved hjelp av en satellitt, mer detaljert, dens plassering og utsendte signal, er det mulig å nøyaktig bestemme plasseringen og bevegelseshastigheten til en person på jorden, som så vel som omvendt, hastigheten og plasseringen av satellitten i bane når man bestemmer de eksakte menneskelige koordinatene. På slutten av syttitallet lanserte det amerikanske forsvarsdepartementet GPS-systemet til egne formål, og noen år senere ble det tilgjengelig for sivilt bruk. Hvordan fungerer GPS-systemet nå? Akkurat slik det fungerte på den tiden, etter samme prinsipper og grunnlag.

Satellittnettverk

Mer enn tjuefire satellitter i jordbane sender radiobindingssignaler. Antall satellitter varierer, men det er alltid nødvendig antall i bane for å sikre uavbrutt drift, pluss at noen av dem er i reserve slik at hvis de første bryter sammen, vil de overta funksjonene deres. Siden levetiden til hver av dem er omtrent 10 år, lanseres nye, moderniserte versjoner. Satellittene roterer i seks baner rundt jorden i en høyde på mindre enn 20 tusen km, det danner et sammenkoblet nettverk kontrollert av GPS-stasjoner. Sistnevnte ligger på tropiske øyer og er knyttet til hovedkoordinasjonssenteret i USA.

Hvordan fungerer en GPS-navigator?

Takket være dette nettverket kan du finne ut hvor du befinner deg ved å beregne forsinkelsen til signalet fra satellittene, og ved å bruke denne informasjonen bestemme koordinatene. Hvordan fungerer GPS-systemet nå? Som ethvert romlig navigasjonsnettverk er det helt gratis. Den fungerer med høy effektivitet under alle værforhold og når som helst på dagen. Det eneste kjøpet du bør ha er selve GPS-en eller en enhet som støtter GPS-funksjonalitet. Egentlig er prinsippet for drift av navigatoren basert på et lenge brukt enkelt navigasjonsskjema: hvis du vet nøyaktig hvor markørobjektet som er best egnet for rollen som et landemerke er plassert, og avstanden fra det til deg , tegn en sirkel der du angir posisjonen din med en prikk. Hvis radiusen til sirkelen er stor, erstatt den med en rett linje. Tegn flere slike striper fra din mulige plassering mot markørene; skjæringspunktet mellom linjene vil indikere koordinatene dine på kartet. De ovennevnte satellittene i dette tilfellet spiller rollen som disse markørobjektene med en avstand fra din plassering på omtrent 18 tusen km. Selv om de roterer i bane med enorm hastighet, overvåkes deres plassering konstant. Hver navigator har en GPS-mottaker, som er programmert til ønsket frekvens og er i direkte interaksjon med satellitten. Hvert radiosignal inneholder en viss mengde kodet informasjon, som inkluderer informasjon om satellittens tekniske tilstand, dens plassering i jordens bane og tidssone (nøyaktig tid). Forresten, informasjon om det nøyaktige tidspunktet er det mest nødvendige for å få data om koordinatene dine: den pågående beregningen av tidslengden mellom utgivelsen og mottaket av radiosignalet multipliseres med hastigheten til selve radiobølgen, og med kortsiktige beregninger avstanden mellom navigasjonsenheten og satellitten i bane beregnes.

Synkroniseringsvansker

Basert på dette navigasjonsprinsippet kan det antas at for nøyaktig å bestemme koordinatene dine, trenger du kanskje bare to satellitter, basert på signalene som det vil være lett å finne skjæringspunktet, og til slutt stedet der du er . Men dessverre krever tekniske årsaker bruk av en annen satellitt som markør. Hovedproblemet er klokken til GPS-mottakeren, som ikke tillater tilstrekkelig synkronisering med satellitter. Grunnen til dette er forskjellen i tidsvisning (på navigatoren og i rommet). Satellittene har dyre atombaserte klokker av høy kvalitet, som lar dem telle tid med ekstrem nøyaktighet, mens det rett og slett er umulig å bruke slike kronometre på konvensjonelle mottakere, siden deres dimensjoner, kostnader og kompleksitet i drift ikke ville tillate dem. skal brukes overalt. Selv en liten feil på 0,001 sekunder kan flytte koordinatene med mer enn 200 km til siden!

Tredje markør

Så utviklerne bestemte seg for å forlate den vanlige teknologien til kvartsklokker i GPS-navigatorer og ta en annen vei, for å være mer presis - å bruke i stedet for to satellittlandemerker - henholdsvis tre samme antall linjer for påfølgende kryss. Løsningen på problemet er basert på en genialt enkel løsning: når alle linjene fra de tre utpekte markørene krysser hverandre, selv med mulige unøyaktigheter, opprettes en sone i form av en trekant, hvis sentrum tas som midten - posisjonen din. Dette lar deg også identifisere forskjellen i tid mellom mottakeren og alle tre satellittene (hvor forskjellen vil være den samme), som lar deg korrigere skjæringspunktet mellom linjene nøyaktig i midten; med andre ord, dette bestemmer din GPS-koordinater.

Én frekvens

Det bør også bemerkes at alle satellitter sender informasjon til enheten din på samme frekvens, noe som er ganske uvanlig. Hvordan fungerer en GPS-navigator og hvordan oppfatter den all informasjon riktig hvis alle satellitter kontinuerlig og samtidig sender informasjon til den? Alt er ganske enkelt. For å identifisere seg sender sendere på satellitten også standardinformasjon i radiosignalet, som inneholder en kryptert kode. Den rapporterer de maksimale egenskapene til satellitten og legges inn i databasen til enheten din, som deretter lar deg sammenligne dataene fra satellitten med navigatordatabasen. Selv med et stort antall satellitter innen rekkevidde, kan de identifiseres veldig raskt og enkelt. Alt dette forenkler hele ordningen og tillater bruk av mindre og svakere mottaksantenner i GPS-navigatorer, noe som reduserer kostnadene og reduserer utformingen og dimensjonene til enhetene.

GPS-kart

GPS-kart lastes ned til enheten din separat, slik at du kontrollerer terrenget du vil navigere. Systemet setter bare koordinatene dine på planeten, og funksjonen til kartene er å gjenskape en grafisk versjon på skjermen der koordinatene er plottet, som lar deg navigere i området. Hvordan fungerer GPS i dette tilfellet? Gratis, det fortsetter å forbli i denne statusen; kort i noen nettbutikker (og ikke bare) betales fortsatt. Ofte opprettes separate applikasjoner for arbeid med kart for en enhet med GPS-navigator: både betalt og gratis. Variasjonen av kart er hyggelig overraskende og lar deg sette opp veien fra punkt A til punkt B så informativt som mulig og med alle bekvemmeligheter: hvilke severdigheter du vil passere, den korteste ruten til destinasjonen din, en stemmeassistent som indikerer retningen , og andre.

Ekstra GPS-utstyr

GPS-systemet brukes ikke bare for å vise deg den rette veien. Den lar deg overvåke et objekt som kan ha en såkalt beacon eller GPS-tracker på seg. Den består av en signalmottaker i seg selv og en sender basert på gsm, 3gp eller andre kommunikasjonsprotokoller for overføring av informasjon om plasseringen av et objekt til servicesentre som utfører kontroll. De brukes i mange bransjer: sikkerhet, medisinsk, forsikring, transport og mange andre. Det finnes også biltrackere som kobles eksklusivt til bilen.

Reise uten problemer

Hver dag går betydningen av kartet og det permanente kompasset lenger inn i fortiden. Moderne teknologier lar en person bane vei for reisen sin med minimalt tap av tid, krefter og penger, mens han fortsatt ser de mest spennende og interessante stedene. Det som var science fiction for omtrent et århundre siden har blitt en realitet i dag, og nesten alle kan dra nytte av det: fra militært personell, sjømenn og flypiloter til turister og kurerer. Nå blir bruken av disse systemene for kommersielle, underholdnings- og reklamebransjene stor popularitet, der hver entreprenør kan indikere seg selv på et globalt kart over verden, og det vil ikke være vanskelig å finne ham. Vi håper at denne artikkelen har hjulpet alle som er interessert i GPS - hvordan det fungerer, på hvilket prinsipp koordinater bestemmes, og hva dens styrker og svakheter er.

Satellittnavigasjonssystemer (SNS)- et spesielt kompleks av rom- og bakkebaserte tekniske midler, programvare og teknologier designet for å løse et bredt spekter av aktuelle problemer relatert, først og fremst, til rask og nøyaktig bestemmelse av plasseringen i forhold til jordens sfæroid til en person, kjøretøy , tekniske systemer og objekter ved løsning av navigasjons-, forsvars-, ingeniørgeodetisk, geologisk prospektering, miljø- og andre oppgaver.

Satellittnavigasjonssystemer, opprettet for første gang i USA - "NAVSTAR" og i USSR - "GLONASS" (Global Navigation Satellite System), gikk inn i internasjonal praksis for å løse militære, navigasjons-, ingeniør- og andre problemer under navnet "Global Posisjoneringssystem" ("GPS") eller bokstavelig talt - Global Positioning System (posisjon). Derfor vil vi i fremtiden referere til satellittnavigasjonssystemer (SNS) ved bruk av den internasjonale forkortelsen ("GPS").

Evnen til raskt å bestemme plasseringskoordinater er så viktig i den moderne menneskehetens liv at GPS-systemer betraktes som en "New Heritage of Civilization." Fremveksten av satellittnavigasjonssystemer, som allerede har blitt tilgjengelige for den gjennomsnittlige brukeren, vil helt sikkert i nær fremtid forutbestemme en kvalitativ endring i innholdet og metodene for å produsere de fleste typer ingeniør- og geodetisk arbeid.

Driftsprinsippene til GPS er basert på å bestemme plassering etter avstand til en gruppe kunstige jordsatellitter med høy bane, som fungerer som nøyaktig koordinerte referansepunkter (bevegelige punkter i et geodetisk nettverk).

Hvert satellittnavigasjonssystem består av tre uavhengige undersystemer: EN , I Og MED .

EN- et undersystem av orbitalkomplekset, bestående av kunstige jordsatellitter med høy bane (ART – Fig. 8.1) og midler for å sende dem opp i bane. Hver satellitt har om bord flere høypresisjons atomklokker - frekvensstandarder. Satellitter sender konstant koordinerer radiosignaler og navigasjonsmeldinger og skaper dermed et enkelt globalt navigasjonsfelt.

Opprettelsen i vårt land av GLONASS-banekomplekset, bestående av 24 navigasjonssatellitter, begynte i oktober 1982 og ble fullført i desember 1995. De kunstige GLONASS-satellittene er jevnt fordelt i tre baneplan med en avstand på 120° i forhold til hverandre (fig. 8.2 b). Flyene er henholdsvis tildelt nummer 1, 2 og 3, økende i retning av jordens rotasjon, mens de nominelle verdiene til de absolutte lengdegradene til de ideelle planene er faste:

215°15"00" + 120°(i-1), (8.1)

Hvor Jeg- nummer på orbitalplanet.

De nominelle avstandene mellom nabo GLONASS-satellitter når det gjelder breddegrad er 45°. Satellittene til det 1. baneplanet er tildelt nummer fra 1 til 8, satellittene til det andre baneplanet - fra 9 til 16, og satellittene til det tredje baneplanet - fra 17 til 24. Orbitalplanene forskyves i forhold til hver annet i breddegradsargumentet med 15°.

EN). NAVSTAR satellitt.

b) GLONASS satellitt.

Ris. 8.1. Navigasjonssatellitter.

EN) b)

Ris. 8.2. Satellittnavigasjonssystemer.

EN) – NAVSTAR; b) – GLONASS.

Navigasjonssatellitter i NAVSTAR-systemet er plassert i seks baneplan, med fire satellitter i hver (fig. 8.2) b).

Orbitalhøyden til GLONASS-navigasjonssatellittene er 19-100 km, NAVSTAR-systemet er 20-180 km.

Omløpsperioden til GLONASS-systemets satellitter er 11 timer 15 minutter 44 sekunder, NAVSTAR-systemet er 12 timer.

Banehellingen til GLONASS-systemet er 64,8°, NAVSTAR-systemet er 55,0°.

Denne konfigurasjonen av banestrukturen til satellittnavigasjonssystemer sikrer global og kontinuerlig dekning av systemet, samt optimal geometri av den relative posisjonen til satellitter for å forbedre nøyaktigheten av koordinatbestemmelse.

Navigasjonssatellitter til GPS-systemer sender kontinuerlig ut radiosignaler med varierende nøyaktighet. Dermed gir GLONASS-systemet to typer navigasjonssignaler:

Høy presisjon (HT) - beregnet utelukkende for å løse problemer fra Forsvarsdepartementet i Den russiske føderasjonen.

Standard nøyaktighet (ST) - tilgjengelig for alle forbrukere.

NAVSTAR-systemet gir tre typer navigasjonssignaler:

Beskyttet (P-kode) - beskyttet, ment først og fremst for behovene til det amerikanske forsvarsdepartementet.

Selektiv tilgjengelighet (S/A) - bevisst å skape betydelig og uforutsigbar drift av satellittklokker skaper betydelige plasseringsfeil for allmennheten.

Clear Acquisition (C/A) - lett å gjenkjenne, det vil si at det er en generell sivil kode.

B- det bakkebaserte overvåkings- og kontrollundersystemet består av en gruppe sporingsstasjoner, flere lastestasjoner på satellitten og en hovedstasjon. Dette delsystemet overvåker systemets integritet og er den primære informasjonskilden som leveres til brukerne. Dens hovedoppgaver er:

Overvåking av driften av navigasjonssatellitter;

Innsamling av informasjon for å bestemme og forutsi baner (ephemeris);

Dannelse av et enhetlig tidssystem av hele orbitalkomplekset og dets synkronisering i forhold til Universal Time og eksport av data til minnet til datamaskiner ombord av navigasjonssatellitter.

Orbital-temporal informasjon lagres i satellittens minne to ganger om dagen, noe som sikrer høy nøyaktighet av navigasjonsbestemmelser.

I- brukerdelsystemet består av et sett med maskinvare og programvare som implementerer hovedformålet med "GPS" - å bestemme koordinater for geodetisk bruk.

Hovedfaktorene for den utbredte bruken av GPS-brukerutstyr er:

All slags vær;

Effektiviteten av den første bestemmelsen av koordinater (mindre enn 3 minutter fra du slår på mottakeren);

Kontinuitet av koordinatbestemmelse (hver 0,5 s);

Små dimensjoner og vekt på mottakere;

Lav energiintensitet;

Enkel betjening;

Høy presisjon;

Relativt lav kostnad.

Posisjoneringsdata presenteres i enhver brukervennlig digital form: i ulike geografiske koordinatsystemer eller i et hvilket som helst rektangulært koordinatsystem med mulighet til å beskrive og systematisere posisjoneringsobjekter.

For tiden har satellittnavigasjonssystemer allerede funnet bred anvendelse på følgende områder: militær; på rom, luft, sjø, elv, vei, jernbane og andre typer transport; i geodesi, kartografi, oseanografi; under geofysisk og geologisk letearbeid; i skogbruk og arealforvaltning; fiskeri; i miljøovervåking; i vitenskapelig forskning, inkludert grunnleggende og andre områder av menneskelig aktivitet.

Når det gjelder ingeniørgeodesi og ingeniørkunst, er dette absolutt et revolusjonerende gjennombrudd inn i fremtiden, som innebærer både en radikal endring i flåten av ingeniør- og geodetisk utstyr, samt teknologier og arbeidsmetoder.

Navigasjon er bestemmelse av koordinat-tidsparametere til objekter.

Det første effektive navigasjonsmiddelet var å bestemme plassering ved hjelp av synlige himmellegemer (sol, stjerner, måne). En annen enkel navigasjonsmetode er georeferering, dvs. fastsettelse av plassering i forhold til kjente landemerker (vanntårn, kraftledninger, motorveier og jernbaner, etc.).

Navigasjons- og posisjoneringssystemer er designet for å konstant overvåke plasseringen (tilstanden) til objekter. For tiden er det to klasser av navigasjons- og posisjoneringshjelpemidler: bakkebasert og rombasert.

Bakkebaserte systemer inkluderer stasjonære, transportable og bærbare systemer, komplekser, bakkerekognoseringsstasjoner og andre navigasjons- og posisjoneringsmidler. Prinsippet for deres operasjon er å kontrollere radioluften gjennom spesielle antenner koblet til skanneradiostasjoner, og å isolere radiosignaler som sendes ut av radiosendere av sporingsobjekter eller sendes ut av komplekset (stasjonen) selv og reflekteres fra sporingsobjektet eller fra en spesialbrikke eller kodet innebygd sensor (CBD) plassert på objektet. Ved bruk av denne typen tekniske midler er det mulig å få informasjon om plasseringskoordinatene, retningen og bevegelseshastigheten til det kontrollerte objektet. Hvis det er et spesielt merke eller CBD på sporingsobjektene, gjør identifikasjonsenheter koblet til systemene det mulig ikke bare å markere plasseringen av de kontrollerte objektene på et elektronisk kart, men også å skille dem deretter.

Romnavigasjon og posisjoneringssystemer er delt inn i to typer.

Den første typen romnavigasjons- og posisjoneringssystemer utmerker seg ved bruk av spesielle sensorer på mobile sporingsobjekter - mottakere av satellittnavigasjonssystemer som GLONASS (Russland) eller GPS (USA). Navigasjonsmottakere av bevegelige sporingsobjekter mottar et radiosignal fra navigasjonssystemet, som inneholder koordinatene (ephemeris) til satellittene i bane og tidsreferansen. Prosessoren til navigasjonsmottakeren, basert på data fra satellitter (minst tre), beregner den geografiske bredde- og lengdegraden til plasseringen (mottakeren). Denne informasjonen (geografiske koordinater) kan visualiseres både på selve navigasjonsmottakeren, hvis det er en informasjonsutgangsenhet (skjerm, monitor), og ved sporingspunktet, når den sendes fra navigasjonsmottakeren til et objekt i bevegelse via radiokommunikasjon (radial, konvensjonell, trunking, mobil, satellitt).

Den andre typen romnavigasjons- og posisjoneringssystemer utmerker seg ved å skanne mottak (peiling) i bane av signaler som kommer fra radiofyr som er installert ved sporingsobjektet. En satellitt som mottar signaler fra radiofyr, akkumulerer som regel først og sender deretter på et bestemt punkt i banen informasjon om sporingsobjekter til et bakkebasert databehandlingssenter. I dette tilfellet øker informasjonsleveringstiden litt.

Satellittnavigasjonssystemer lar deg:

utføre kontinuerlig overvåking og sporing av bevegelige objekter;
vis på avsenderens elektroniske kart koordinatene, ruten og bevegelseshastigheten til kontroll- og sporingsobjekter (med en nøyaktighet for å bestemme koordinater og høyde over havet opptil 100 m, og i differensialmodus - opptil 2...5 m) ;
reagere umiddelbart på nødsituasjoner (endringer i de forventede parameterne ved kontroll- og sporingsobjektet eller i dets rute og tidsplan, SOS-signal, etc.);
optimalisere ruter og bevegelsesplaner for kontroll- og sporingsobjekter.

For tiden kan funksjonene til spesialiserte navigasjons- og posisjoneringssystemer (automatisk sporing av gjeldende plassering av abonnentenheter, kommunikasjonsterminaler for å sikre roaming og levering av kommunikasjonstjenester) utføres med relativ nøyaktighet av satellitt og mobilnett (hvis basestasjonene har stedsbestemmelsesutstyr) radiokommunikasjonssystemer.

Den utbredte introduksjonen av navigasjons- og posisjoneringssystemer, den utbredte installasjonen av passende utstyr i russiske mobilnettverk for å bestemme og konstant overvåke plasseringen av fungerende sendere, patruljer, kjøretøy og andre objekter av interesse for rettshåndhevelsesbyråer, kan betydelig utvide kapasiteten til rettshåndhevelsesaktiviteter.

Det grunnleggende prinsippet for å bestemme plassering ved hjelp av satellittnavigasjonssystemer er å bruke satellitter som referansepunkter.

For å bestemme bredde- og lengdegraden til en bakkebasert mottaker, må mottakeren motta signaler fra minst tre satellitter og kjenne deres koordinater og avstanden fra satellittene til mottakeren (fig. 6.8). Koordinatene måles i forhold til jordens sentrum, som har koordinaten (0, 0, 0).

Avstanden fra satellitten til mottakeren beregnes ut fra den målte forplantningstiden til signalet. Disse beregningene er ikke vanskelige å utføre, siden det er kjent at elektromagnetiske bølger beveger seg med lysets hastighet. Hvis koordinatene til tre satellitter og avstandene fra dem til mottakeren er kjent, kan mottakeren beregne en av to mulige plasseringer i rommet (punkt 1 og 2 i fig. 6.8). Vanligvis kan mottakeren bestemme hvilket av disse to punktene som er gyldige, siden én plasseringsverdi har en meningsløs betydning.

Ris. 6.8. Bestemme plassering ved hjelp av signaler fra tre satellitter

I praksis, for å eliminere generatorklokkefeilen, som påvirker nøyaktigheten av tidsforskjellsmålinger, er det nødvendig å vite plasseringen og avstanden til den fjerde satellitten (fig. 6.9).

Ris. 6.9. Bestemme plassering ved hjelp av signaler fra fire satellitter

For tiden eksisterer to satellittnavigasjonssystemer og brukes aktivt - GLONASS og GPS.

Satellittnavigasjonssystemer inkluderer tre komponenter (fig. 6.10):

romsegment, som inkluderer orbitalkonstellasjonen til kunstige jordsatellitter (med andre ord navigasjonsromfartøy);
kontrollsegment, bakkekontrollkompleks (GCU) for banekonstellasjonen til romfartøy;
systembrukerutstyr.

Ris. 6.10. Sammensetning av satellittnavigasjonssystemer

Romsegmentet til GLONASS-systemet består av 24 navigasjonsromfartøyer (NSV) plassert i sirkulære baner med en høyde på 19 100 km, en helning på 64,5° og en omløpsperiode på 11 timer og 15 minutter i tre baneplan (fig. 6.11). Hvert baneplan rommer 8 satellitter med en jevn breddegradsforskyvning på 45°.

Romsegmentet til GPS-navigasjonssystemet består av 24 hovedsatellitter og 3 reservesatellitter. Satellittene er plassert i seks sirkulære baner med en høyde på omtrent 20 000 km, en helning på 55°, jevnt fordelt i lengdegrad hver 60.°.

Ris. 6.11. Baner for GLONASS- og GPS-satellitter

Det komplekse bakkekontrollsegmentet til GLONASS-systemet utfører følgende funksjoner:

ephemeris og tidsfrekvensstøtte;
feltovervåking av radionavigasjon;
radiotelemetrisk overvåking av satellitter;
styre og programmere radiostyring av satellitten.

For å synkronisere tidsskalaene til forskjellige satellitter med nødvendig nøyaktighet, brukes cesiumfrekvensstandarder med en relativ ustabilitet i størrelsesorden 10 -13 s om bord på satellitten. Bakkekontrollkomplekset bruker en hydrogenstandard med en relativ ustabilitet på 10 -14 s. I tillegg inkluderer NKU midler for å korrigere satellitttidsskalaer i forhold til referanseskalaen med en feil på 3-5 ns.

Bakkesegmentet gir ephemeris-støtte til satellitter. Dette betyr at satellittbevegelsesparametrene bestemmes på bakken, og verdiene til disse parameterne er forutsagt for en forhåndsbestemt tidsperiode. Parametrene og deres prognose er inkludert i navigasjonsmeldingen som sendes av satellitten sammen med overføringen av navigasjonssignalet. Dette inkluderer også korrigeringer av tid og frekvens av satellittens innebygde tidsskala i forhold til systemtiden. Måling og prognose for bevegelsesparametrene til satellitten utføres i systemets ballistiske senter basert på resultatene av banemålinger av avstanden til satellitten og dens radielle hastighet.

Systembrukerutstyr er radiotekniske enheter designet for å motta og behandle radionavigasjonssignaler fra navigasjonsromfartøyer for å bestemme romlige koordinater, komponenter i bevegelseshastighetsvektoren og korrigering av tidsskalaene til brukeren av det globale navigasjonssatellittsystemet.

Mottakeren bestemmer plasseringen til forbrukeren, som velger de mest gunstige fra alle observerte satellitter når det gjelder å sikre navigasjonsnøyaktighet. Basert på avstandene til de valgte satellittene, bestemmer den forbrukerens lengdegrad, breddegrad og høyde, samt parametrene for bevegelsen: retning og hastighet. De mottatte dataene vises på displayet i form av digitale koordinater, eller vises på et kart som tidligere er kopiert til mottakeren.

Mottakere av satellittnavigasjonssystemer er passive, dvs. de sender ikke ut signaler og har ingen returkommunikasjonskanal. Dette lar deg ha et ubegrenset antall forbrukere avr.

Systemer for overvåking av objekters bevegelse basert på satellittnavigasjonssystemer har nå blitt utbredt. Strukturen til et slikt system er vist i fig. 6.12.

Ris. 6.12. Overvåkingssystemstruktur

Navigasjonsmottakere installert på sporingsobjekter mottar signaler fra satellitter og beregner deres koordinater. Men siden navigasjonsmottakere er passive enheter, må systemet gi et system for overføring av beregnede koordinater til overvåkingssentralen. VHF-radiomodemer, GSM/GPRS/EDGE-modemer (2G-nettverk), tredjegenerasjonsnettverk som opererer ved hjelp av UMTS/HSDPA-protokoller, CDMA-modemer, satellittkommunikasjonssystemer osv. kan tjene som midler for å overføre data om koordinatene til et observasjonsobjekt.

Overvåkingssenteret til et satellittnavigasjons- og overvåkingssystem er designet for å overvåke objekter som navigasjons- og kommunikasjonsutstyr er installert (inneholdt) på for å overvåke dets individuelle parametere (plassering, hastighet, bevegelsesretning) og ta beslutninger om visse handlinger.

Overvåkingssenteret inneholder informasjonsbehandlingsverktøy for programvare og maskinvare som gir:

mottak, behandling og lagring av informasjon som kommer fra overvåkingsobjekter;
visning av informasjon om plasseringen av observasjonsobjekter på et elektronisk kart over området.

Navigasjons- og overvåkingssystemet til organene for indre anliggender løser følgende oppgaver:

å sikre automatisert kontroll av personell på vaktstasjon over plassering av kjøretøymannskaper;
gi tjenestestedspersonellet informasjon om plasseringen av kjøretøy for å ta ledelsesbeslutninger når de organiserer en rask respons på hendelser i ansvarsområdet;
vise i grafisk format informasjon om plassering av kjøretøy og annen serviceinformasjon på operatørens automatiserte arbeidsstasjon;
dannelse og lagring av et arkiv på rutene for bevegelse av kjøretøymannskaper under deres tjeneste;
utstedelse av statistisk rapportering om oppfyllelse av normer for obligatorisk utplassering av styrker og midler under vaktskiftet, sammendragsparametere for effektiviteten av bruken av styrker og midler, indikatorer for kontroll over ansvarsområder.

For å sikre høy pålitelighet og pålitelighet av overføringen av overvåkingsinformasjon fra utstyret om bord på kjøretøyer fra det russiske innenriksdepartementets enheter til tjenestestasjoner som en del av systemet, er det nødvendig å bruke en sikkerhetskopidataoverføringskanal, som kan brukt som