Применение навигационных систем глонасс gps. Глобальная навигационная спутниковая система GPS. Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Спутниковая навигация - это в первую очередь высокоточное средство для определения координат местопребывания физических объектов. Находить искомые объекты при помощи современных навигационных систем можно практически в любой точке планеты. Активно развивающиеся современные способны обеспечить обширное покрытие для передачи точных навигационных данных.

навигация?

Спутниковые навигационные системы представляют собой широкий комплекс электронного оборудования и в виде совокупности космического и наземного оборудования.

Навигация - это средство для определения положения объектов. Впрочем, наиболее современные средства спутниковой навигации позволяют практически безошибочно определять такие параметры, как скорость или направление движения объекта и прочее.

В основе навигационных систем лежат орбитальные спутниковые группировки, в составе которых может находиться от двух до нескольких десятков спутников. Основной их задачей является обмен радиосигналами между собой и наземными системами контроля. В свою очередь, клиентское оборудование пользователей применяется для определения нужных координат на основе полученной из центров управления навигацией информации.

Принцип работы спутниковой системы навигации

Работа спутниковых систем основана на определении расстояния от спутника до антенны объекта, координаты которого необходимо вычислить. Условная карта расположения всех спутников в системе известна как альманах. Большинство приемников спутниковой навигации способны сохранять такую карту в памяти и мгновенно получать необходимые данные. Таким образом, программы навигации на основании геометрических построений координат позволяют вычислить точное положение объекта на карте.

Персональные спутниковые навигаторы

Современные персональные навигаторы являются высокотехнологичными устройствами, предназначенными не только для приема данных спутниковой навигации, но также для предоставления пользователю богатых мультимедийных возможностей.

В сочетании с абонентским оборудованием при наличии специализированного программного обеспечения, персональные навигаторы предоставляют возможности для мониторинга как стационарных объектов, так и транспорта.

Если говорить о водителях автотранспорта, то для них навигация - это, прежде всего, возможность получения подробных рекомендаций касательно выбора наиболее удачных маршрутов, следование которым позволяет оптимизировать расход топлива и значительно сократить время в пути.

Перспективы развития спутниковых навигационных систем

В настоящее время спутниковая навигация - это система, которая глобально применяется в картографических целях. Основная часть навигационных данных, получаемых по GPS, сегодня контролируется военным ведомством США. Поэтому из года в год все более насущным вопросом для становится развертывание альтернативных систем, где наиболее перспективными выглядят европейский проект «Galileo» и российский «Глонасс».

Основываясь на мнении маркетологов, можно утверждать, что ближайшие десятилетия сулят рынку навигационных услуг существенное развитие. Подобных взглядов придерживаются также разработчики проектов в области спутниковой навигации. Подтверждением этому выступают данные многочисленных исследовательских центров, которые отмечают рост спроса на навигационные услуги среди владельцев портативных цифровых устройств.

История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 г., когда Управление совместных программ, входящее в состав Центра космических и ракетных исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать и развернуть навигационную систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости потребителей, и синхронизации шкал времени. Поскольку инициатором создания GPS являлось Министерство обороны США, то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense Navigation Satellite System – DNSS).

Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми космических аппаратов (КА) Block I для создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978, и в том же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА.

Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20200 км и наклонением 63°. К моменту начала серийного производства в 1989 году космических аппаратов модификации было принято решение об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличено до 6.

Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап IOC начался в 1993 году, когда в составе орбитальной группировки насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC состоялся в июле 1995, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года. Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже в течение более чем двух десятилетий, при этом на протяжении всей своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетворения требований различных категорий как гражданских, так и военных потребителей.

При проектировании GPS предполагалось, что точность навигационных определений при использовании C/A-кода будет в пределах 400 м. Реальная точность измерений по C/A-коду оказалась в 10 и более раз выше – 15-40 м (СКО) по координатам и доли метра в секунду по скорости. Возможность получения такой точности измерений с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения, что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным противником, в том числе в системах высокоточного оружия. В качестве защитной меры, начиная с космического аппарата Block II, в GPS были реализованы два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей – селективный доступ и одновременно принятые меры по защите от так называемых уводящих помех. Деактивация режима селективного доступа была осуществлена 2 мая 2000 г. около 4:00 (UT). Точность автономной навигации возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий.

Текущий третий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство космических аппаратов следующего поколения , которые в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом управления и навигационной аппаратурой потребителей обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.

Услуги системы GPS

Система GPS предоставляет два вида услуг:

• услугу стандартного позиционирования (Standard Positioning Service – SPS) , доступную для всех потребителей,
• услугу точного позиционирования (Precise Positioning Service – PPS) , доступную для санкционированных потребителей.

Каждый космический аппарат излучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах. Квадратурные составляющие сигналов, передаваемых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуляции различными дальномерными псевдослучайными последовательностями (ПСП). Структура некоторых из этих ПСП опубликована, соответственно данный сигнал может приниматься всеми потребителями. Структура другой части ПСП закрыта, поэтому данный сигнал доступен для приёма только санкционированным потребителям, которым структура ПСП известна.

Услуга стандартного позиционирования SPS и временной синхронизации доступна для всех категорий потребителей безвозмездно и глобально и реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами GPS навигационных радиосигналов, модулированных дальномерным кодом C/A (Coarse/Acquisition – грубый приём). Код C/A представляет собой ПСП Голда длительностью 1 023 символа с тактовой частотой 1,023 МГц. Таким образом, ПСП C/A-кода имеет период повторения T = 1 мс, что соответствует интервалу однозначного измерения псевдодальности около 300 км. Программа развития GPS предусматривает предоставление гражданским потребителям услуги SPS с помощью L2C, L5 и L1C.

Услуга точного позиционирования PPS реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами орбитальной группировки GPS навигационных радиосигналов в диапазонах L1 и L2, модулированных дальномерным P(Y)-кодом. Услуга PPS предназначена для использования исключительно вооружёнными силами США, федеральными агентствами США и вооружёнными силами некоторых союзников.

Орбитальная группировка

Штатная орбитальная группировка GPS состоит из 32 основных космических аппаратов, расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. Дополнительно на некоторых орбитах может находиться один или два резервных КА, предназначенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА. Наклонение орбитальных плоскостей 55°, долготы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20 200 км соответствует период обращения 11 ч 58 мин, т. е. орбиты космических аппаратов GPS являются синхронными.

Типы космических аппаратов

В настоящее время восполнение орбитальной группировки осуществляется запуском космических аппаратов Block IIF («F» – follow on – продолжение). В соответствии с действующими планами КА Block IIF должны сменить на орбите КА Block IIA, КА Block III придут на смену Block IIR («R» – replacement – замена).

Основной задачей КА Block III является предоставление навигационных услуг с помощью нового навигационного радиосигнала L1C и повышение точности эфемеридно-временной информации, доступности навигационного радиосигнала, мощности излучения, а также увеличение срока активного существования.

Навигационные радиосигналы

Спектр навигационных радиосигналов системы GPS

СТРУКТУРА ЦИ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS

Внедрение новых навигационных сигналов GPS сопровождается совершенствованием структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переходом от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2.

Навигационные сообщение типа CNAV являются усовершенствованными версиями навигационного сообщения NAV, позволяющие точнее передавать оперативную и неоперативную информацию о состоянии GPS. В навигационном сообщении CNAV содержится информация того же типа, что и в сообщении NAV (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.), однако эта информация передается в новом формате. Вместо использования архитектуры суперкадров/кадров сообщение передается в виде пакетов различной длительности. Наиболее существенными изменениями структуры CNAV являются расширение количества космических аппаратов используемых по целевому назначению с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой менее 6 с.

На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.

Первые предпосылки

Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.

Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.

На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.

В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.

GPS vs. ГЛОНАСС

В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.

В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.

Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.

Принцип работы GPS

Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).

Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.

Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.

Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.

Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.

Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.

Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.

Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.

Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.

Будущее спутниковой навигации

Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.

Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.

Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.

В статье рассмотрен принцип работы, состав и особенности системы спутникового позиционирования GPS (англ. Global Positioning System).
Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range – навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.
Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA – selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station – MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США – подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Определение координат и GPS навигация.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным. Определение местоположения GPS-приёмника в пространстве осуществляется на базе алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Основная проблема при вычислении расстояния до спутника системы GPS связанна с синхронизацией часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS-приёмник невозможно. Чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности для определения трехмерных координат на поверхности Земли. GPS-приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. GPS-приёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника (так называемых “альманах”, содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Расстояние до навигационных спутников системы GPS обозначим как А, В и С. Допустим, что известно расстояние А до одного спутника. В данном случае координаты GPS-приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника, то определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (показана синим цветом), которая является пересечением двух сфер. Известное расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены красными точками). Этого уже достаточно для однозначного определения координат GPS-приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.
Недостатками GPS навигации является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение.

В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.

GPS

Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х - начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.

После отмены ограничений на точность определения координат ошибка снизилась со 100 до 20 м (в последних поколениях GPS-приёмников при идеальных условиях ошибка не превышает 2 м). Такие условия позволили использовать систему для широкого круга общих и специальных задач:

• Определение точного местоположения
• Навигация, движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения
• Синхронизация времени

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat - это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

ГЛОНАСС

Российский аналог GPS - ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) - была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.

Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.

Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.

Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.

Galileo

Галилео - совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.

Compass

Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.

Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита - MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.

Поддержка ГНСС

• Smart Antenna - модуль, состоящий из керамической антенны и навигационного приемника. Преимущества: компактность, не требует согласования, удешевляет разработку за счет сокращения сроков.
• MCM (Multi Chip Module) - чип, включающий все компоненты навигационного приемника.
• OEM - экранированная плата, включающая ВЧ интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Это наиболее популярное решение на данный момент.

Ключевые параметры навигационных приемников

1. Сигналы от спутников
2. Альманах - информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
3. Эфемериды - точные параметров орбит и часов каждого спутника

Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.

Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.

Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.

Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.

Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183 , но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.

Стандарт NMEA-2000 - это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.

Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.

В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики , которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.

Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов . На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.

Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS . Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.

В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM . На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1-3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.

Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается бо льшая область приема, чем при наземных методах.

Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS - Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета

Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США

Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность . Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.

Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) - секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.

Дополнительные функции навигационных устройств

Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).

На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице