Системы GPS-мониторинга транспорта (стр. 1 из 3)

Введение

Любое живое существо, способное самостоятельно передвигаться на сколько-нибудь значительные расстояния, нуждается в осознании собственного местонахождения. Природа щедро одарила животных механизмами ориентации в пространстве (кстати, многие из этих механизмов до сих пор представляют загадку для ученых). Однако венец творения обнаружил самую большую «милость от природы» в данном вопросе: естественные спутники - небесные тела. К сожалению, имя той светлой головы, в которую впервые пришла мысль ориентироваться по Солнцу и звездам, утеряно навсегда, и мы никогда не сможем отдать должное этой гениальной находке.

Но и этого людям показалось недостаточно. В своем вечном стремлении если не сразиться, то хотя бы посоревноваться с природой, они создают и запускают искусственные спутники.

Начиная с 60-х годов XX века вооруженные, военно-морские и военно-воздушные силы США независимо друг от друга проводили работы над созданием радионавигационных систем, позволяющих независимо от погодных условий круглосуточно точно определять координаты объектов на Земле.

В 1973 году данные программы объединили в одну, и военно-воздушные силы США назначили руководящими в разработке системы. Это стало началом истории построения системы NAVSTAR (NavigationSatelliteTimingandRanging) — глобальной системы местоопределения (Global Positioning System). С 1983 года, после того, как к ее информации получили доступ гражданские лица, а в 1991 году были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР, распространение получила широко известная аббревиатура GPS.

Изначально планировалось, что система будет служить для высокоточного наведения боевых ракет, а навигационные функции системы были отодвинуты на второй план.

Первый спутник системы был запущен в 1978 году, а основная часть спутников системы были запущены на орбиты в середине 80-х годов. В 1994-м на орбиту был помещен спутник, позволивший завершить построение системы из 24 спутников.

Помимо военных целей, попутно она имела и коммерческий доступ. Правда, точность данных, полученных коммерческими пользователями, была не более 100 метров. Дело в том, что МО США вводило искусственное снижение точности спутникового сигнала. Это называлось Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A). Однако 1 мая 2000 года по решению президента США "Избирательный Доступ" был отключен, и мы можем законно пожинать плоды спецов штатовской оборонки.

Заканчивая краткий экскурс в технологии GPS-системы, добавим, что американская спутниковая система не единственная в своем роде. На космической орбите работают российские спутники системы Glonass. В результате сотрудничества с Индией эта система должна стать доступной гражданскому населению и составить конкуренцию GPS в ближайшее время. Вскоре стартует европейский проект Galileo, который может произвести передел рынка спутниковой навигации.

GPS: основные понятия и термины

Спутниковые радионавигационные системы — это всепогодные системы космического базирования. Они позволяют определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени.

В состав системы входят:

* созвездие ИСЗ (космический сегмент);

* сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

* GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Всё это объединено в общую сеть и управляется Министерством Обороны США.

Космический сегмент (орбитальная группировка) системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер (PRN), всего номеров зарезервировано 32. По состоянию на 27 декабря 2005 года, на орбите находилось 29 рабочих спутников, 5 из которых либо уже отработали свой срок, либо готовились к вводу в систему для замены отработавших. Период обращения одного спутника составляет 11 часов 56,9 минут. Вес каждого спутника около 835 кг, линейный размер более 5 м (с развернутыми солнечными батареями). На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10^9 (0,000000001) с, вычислительно-кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт.

Спутники размещены на 6 орбитальных плоскостях. Высота орбит примерно равна 20 200 км, угол наклона орбит составляет 55 градусов к экватору Земли (рис. 1). Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет.

Передающая аппаратура излучает синусоидальные сигналы на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц. Перед этим сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями (эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 — только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. Частота L1 предназначена для широкого круга гражданских потребителей, а доступ к сигналам частоты L2 в основном получают военные и федеральные службы США. Точность автономного определения расстояния по P-коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.

Данные параметры расположения группировки космических аппаратов выбраны не случайно. В любой момент времени в любой точке земного шара можно получить сигналы как минимум от 3-х спутников, что является необходимым условием определения координат. Для более точного определения местоположения необходим сигнал от четвертого спутника.

Наземный сегмент системы представляют контролирующе-измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Кваджалейне, на острове Вознесения, на Гавайях, Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Также в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия и Кваджалейн). Управление осуществляется на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base, Colorado).

Приемные устройства — GPS-навигаторы — работают в комплексе со спутниками. GPS-навигатор получает со спутников следующую информацию:

«псевдослучайный код» (PRN — pseudo-randomcode), «эфемериды» (ephimeris) и «альманах» (almanach). По наличию этих данных в GPS-навигаторах определяют вид старта или, по-другому, инициализации (под стартом подразумевается начало процесса получения данных хотя бы с 3 спутников, что достаточно для 2D-навигации). Каждый спутник передает только собственную эфемериду, в то время как альманах передается каждым спутником обо всех спутниках сразу.

Функционирование аппаратуры потребителя можно понять из обобщенной схемы (рис. 2).

Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/с. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мс. Кадр состоит из пяти под-кадров, причем четвертый и пятый подкадры разделены на 25 страниц каждый. Подкадры с первого по третий, а также каждая страница четвертого и пятого подкадров содержат по 300 символов, которые разделены на 10 слов по 30 символов в слове.

Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года. Неделя является самой большой единицей измерения времени в системе GPS. Неделя определена как 604 800 с.

Эфемериды представляют собой уточненные параметры движения спутников. Основываясь на данных альманаха, GPS-приемник «сканирует» небо и при получении данных от спутника уточняет его эфемериды.

Чтобы понять, как GPS-навигатор определяет координаты, необходимо иметь представление о системе координат, в которой происходит движение спутников и определение координат конечных потребителей.

Наблюдатель на Земле может представить небесную сферу, спроецированную на плоскость так, чтобы центр совпадал с местоположением наблюдателя. Именно в этой проекции пользователю GPS-навигатором показывается примерное расположение спутников (рис. 3).

Рис. 3. Расположение спутников на информационном экране навигатора

Как видно из рисунка (снимок с экрана GPS-навигатора), спутников в пределах видимости находится девять. В реальности спутников на проекции

сферы видно не более восьми, а сигналы принимаются максимум с четырех-шести. Закрашенный столбик над номером спутника показывает на устойчивый прием сигналов, а высота столбца позволяет оценить качество приема. В момент, когда GPS-навигатор начинает получать информацию со спутника, над его номером появляется не закрашенный прямоугольник. Закрашивается он при уточнении параметров орбиты спутника и начале получения данных, на основе которых идет непосредственный расчет координат пользователя.

Данные спутниковых систем и параметры орбит спутников рассчитываются относительно центра масс Земли. В бытовых GPS-навигаторах используется единая система координат, наиболее популярная в системах гражданской авиации, WGS-84.

При наличии сигнала от одного спутника (№1), известной скорости распространения электромагнитного сигнала в пространстве (300 000 км/с) и времени, за которое сигнал дошел от спутника до GPS-приемника, стало возможным рассчитать геометрическое место точек нахождения приемника сигнала (им будет являться сфера с радиусом, равным расстоянию от спутника до приемника, в центре которой находится спутник).

Если GPS-навигатор начал принимать сигналы от второго спутника, то аналогично первому случаю, строится сфера вокруг спутника №2. Так как GPS-приемник должен находиться на обеих сферах сразу, то теперь строим пересечение двух сфер. Каждая точка получившейся окружности может являться местом нахождения приемника в пространстве.

Наконец, когда приемник поймает сигнал от спутника №3, строится еще одна сфера, при пересечении с окружностью она дает нам две точки. Одна из этих точек, как правило, имеет довольно неправдоподобное расположение, и в процессе вычисления по алгоритму она отбрасывается. Таким образом, мы получаем результат: широту и долготу.