Спутниковая навигация : основные принципы работы.. Проблемы и методы их решения

Спутниковая навигация : основные принципы роботы.

Приборы спутниковой навигации тесно вошли в нашу жизнь. Мониторинг транспортных средств, навигация морских судов и самолетов, персональная навигация - неполный перечень сфер, в которых используется спутниковая навигация. Но далеко не каждый понимает принцип работы спутниковой навигации, знает ее разновидности и составляющие.   Рассмотрим подробнее:

Спутниковая система навигации (GNSS - Global Navigation Satellite System) - система наземного и космического оборудования, предназначенная для позиционирования в пространстве и времени, а также для определения скорости, направления и других параметров движения объекта. 

Общие элементы спутниковой системы навигации:

• Орбитальная группа -

Система космических аппаратов в виде сети навигационных спутников

• Наземная система управления и контроля -

Блоки измерения положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации про орбиты

• Приемное оборудование -

"Спутниковые навигаторы", используемые для определения местонахождения

• Опционально-информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, что позволяет значительно повысить точность определения координат. 

Принцип действия спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны приемника на объекте до навигационных спутников, местонахождение которых известно с большой точностью. Таблица положений спутников ( «альманах») есть в каждом приемнике спутникового сигнала до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего включения. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников систем, с помощью обычных геометрических построений на основе альманаха рассчитывается положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определении скорости распространения радиоволн. Для реализации возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов спутников исчисляется задержка между временем излучения, что содержится в самом сигнале, и временем приема сигнала антенной приемника. Имея данную информацию, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Остальные параметры движения (скорость, направление, пройденное расстояние) вычисляется на основе измерения времени, объект потратил на перемещение между двумя или более точками с координатами, определенными по предварительным вычислениям.

Самые известные на сегодня системы спутниковой навигации:

• GPS

• ГЛОНАСС

• Galileо

• Бейдоу

Все они работают по схожему принципу: для среднего по точности позиционирования в пространстве антенна приемника должен получать сигнал минимум от 4 спутников системы (или от 3, если 1 из координат известна, например, высота над уровнем моря судна в океане - 0 м), но есть определенные различия. Например, каждая спутниковая навигационная система определяет местонахождение в «своей» системе координат, каждая из систем спутниковой навигации принадлежит разным странам или группировкой стран. Но эти факторы не являются важными для пользователей, гораздо важнее отличиями являются наклон и количество орбит, на которых находятся спутники, а также их количество, период обращения вокруг Земли, так как именно эти параметры больше всего влияют на точность позиционирования. 

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) - российская радионавигационная спутниковая система, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Основой системы является 24 активные спутники, вращающиеся на орбите средней высотой 19100 км над поверхностью Земли с наклоном 64,8 ° и периодом около 11:00 в трех орбитальных плоскостях с 8 равномерно распределенными спутниками в каждой, а также резервные аппараты, назначение которых - в любой момент времени заменить спутники, по определенным причинам вышли из строя. Значение периода позволило создать устойчивую орбитальную систему, которая не требует для своей поддержки корректирующих импульсов. Сигналы передаются с направленностью в 38 ° с использованием правой круговой поляризации, с мощностью 316-500 Вт (EIRP 25-27 dBW). Спутники системы ГЛОНАСС стало передают радиоизлучения двух типов: навигационный сигнал диапазона L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности диапазонов L2 и L3 (1,2 ГГц). Наземный комплекс управления ГЛОНАСС состоит из центра управления системой и контрольных станций. Орбита спутников ГЛОНАСС предоставляет возможность применения навигационной системы на высоких широтах (северный и южный полярный регион), где сигнал GPS принимается плохо.

На сегодняшний день погрешности навигационных показателей ГЛОНАСС по долготе и широте составляют 3-6 м при использовании в среднем 7-8 спутников (в зависимости от точки приема сигналов). После запланированного ранее вывода на орбиту аппаратов для корректировки сигнала ожидается повышение точности позиционирования до 1 м.

ГАЛИЛЕО

Галилео – система спутниковой навигации Европейского Союза и Европейского космического агентства.

Система начала действовать с 15 декабря 2016 года в ограниченном режиме. Полностью развернутая система будет состоять из 27 активных и 3 запасных спутников, вращаться с высотой 23222 км над поверхностью Земли с наклоном 56 ° и периодом около 14 часов в трех орбитальных плоскостях с 9 активными и 1 резервным спутником в каждой. Наземная инфраструктура включает два (в будущем - 3) центра управления и глобальную сеть передающих и приемных станций. После завершения проекта, которое намечено на 2020 год, навигационные сигналы Галилео обеспечат хорошее покрытие даже на широтах до 75 ° северной широты, а точность определения местоположения объекта достигнет 1 м.

Также в будущем станет доступной дополнительная функция - спутники Галилео передавать сигналы тревоги пользователей к региональным спасательно-координационных центров. В ответ система будет посылать сигнал пользователям, сообщая, что аварийную ситуацию обнаружено, что считается значительным обновлением по сравнению с имеющейся системой, которая не обеспечивает обратной связи.

Бэйдоу

Бэйдоу - китайская спутниковая система навигации. Планируется, что космический сегмент навигационной спутниковой системы Бэйдоу будет состоять из орбитальной группировки смешанного типа, состоящий из спутников на орбитах 3 типов.

Система Бэйдоу начала функционировать еще в 2003 году, была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 как региональная система позиционирования (только для азиатско-тихоокеанского региона), при этом спутниковую группировку составило 16 спутников. На сегодня границы предоставления услуг позиционирования системой Бэйдоу продолжают расширяться. Точность позиционирования системы для гражданского населения составляет менее 10 метров, точность измерения скорости менее 0,2 метра в секунду. Планируется, что к 2020 году орбитальная группировка Бэйдоу будет состоять из 35 космических аппаратов, из которых 5 Beidou-G будут находиться на геостационарной орбите (точки 58,75 ° в.д., 80 ° в.д., 110,5 ° в. д., 140 ° в.д. и 160 ° в.д.), 27 Beidou-M - на средний круговой орбите (высота 21 500 км, период обращения 12 ч 53 мин, наклон 55 °) и 3 Beidou-IGSO - на геосинхронной наклонных высоких орбитах (в трех плоскостях, высотой орбиты 35786 км, наклоном 55 °), подспутниковые точки которых движутся на поверхности Земли по одной «трассе» в форме восьмерки, ось симметрии которой находится на долготе 118 ° восточной долготы. Это обеспечит переход системы Бэйдоу от статуса региональной в глобальную систему спутниковой навигации

GPS (NAVSTAR)

NAVSTAR GPS (Global Positioning System Navigation Satellite Time and Ranging) - высокоточная спутниковая система навигации, которая позволяет определить местонахождение объекта, его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Комплекс NAVSTAR разработан, воплощен и принадлежит Министерству обороны США.

На сегодня основой системы является 32 спутника (активные и резервные), работающих в единой сети и вращаются на шести круговым орбитам, расположенным под углом 60 ° друг к другу. На каждой орбите размещено по 4 активные спутники, высота орбит примерно равна 20200 км, наклонение орбиты - 55 °, а период обращения каждого спутника вокруг земли равна 12 часам. Таким образом, с любой точки земной поверхности обычно одновременно видно от четырех до двенадцати таких спутников. Каждые 30 секунд спутник передает навигационные сообщения, в которых содержатся данные о положении спутника в определенный момент времени, данные о качестве сигнала, погрешность спутникового часов и коэффициенты модели ионосферы. Передача сигнала со спутника происходит на частоте 1575,42 МГц.

Станции управления размещены в Колорадо-Спрингс, Диего-Гарсия, на острове Вознесения, атолле Кваджелейн и на Гавайях. Вся информация, проходящая через эти станции, записывается ими и передается на главную станцию на авиабазе в Шривера (штат Колорадо).

Обычная точность современных GPS-приемников в горизонтальной плоскости составляет 5-10 метров, и 10-20 метров по высоте. На территории США и Канады являются станции WAAS, в Европе действуют станции EGNOS, которые передают поправки для дифференциального режима, что позволяет увеличить точность вычисления положения до 1-2 метров. При использовании более сложного дополнительного оборудования точность определения координат можно довести до 10 см. Однако, невысокий наклон орбит спутников GPS (примерно 55 °) значительно ухудшает точность в приполярных регионах Земли, поскольку спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом

Проблемы систем спутниковой навигации

Недостатком всех систем спутниковой навигации является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может поступать к приемнику с задержкой либо не поступать вообще. Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала спутников приемником может значительно ухудшиться под плотной листвой деревьев, из-за большой облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут помешать помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Препятствиями для прохождения сигнала также могут быть: плотная застройка города (большое количество небоскребов), толстые бетонные или железобетонные стены, размещение приемника в подземном помещении. Чтобы минимизировать этот недостаток системы спутниковой навигации, рекомендуется размещать приемник на максимально открытой местности, или, если это невозможно, использовать выносные антенны для улучшения передачи сигналов. Перед выбором устройств спутниковой навигации стоит выяснить, какие системы спутниковой навигации лучше функционируют в Вашей местности. Например, в полярных регионах GPS (NAVSTAR) имеет малую точность по сравнению с ГЛОНАСС (причиной является разный наклон орбит спутников), хотя в целом GPS обеспечивает более точное определение местонахождения.

Также проблемой GPS (и некоторых других систем спутниковой навигации) считается сброс номера недели (WNRO - week number roll over), ведь это может повлиять на работу устройств спутниковой навигации. В составе навигационных радиосигналов, передаваемых со спутников системы к приемнику, содержится номер недели, максимальное значение которого - 1023. Когда номер недели достигает значения 1023, счетчик сбрасывает отсчет номера недели до 0 (примерно каждые 20 лет). Не подготовленные к данному событию устройства могут начать неправильно высчитывать время и дату, может повлиять на функции устройства, которые зависят от данных параметров. Для минимизации влияния WNRO на ваши устройства спутниковой навигации, необходимо своевременно обновлять ПО и, при возникновении вопросов, обращаться к производителю. Хорошая новость заключается в том, что с модернизацией GPS (и других ССН) максимальное значение номера недели увеличится (специалисты GPS хотят увеличить количество бит счетчика), и о WNRO можно будет не беспокоиться значительно дольше.

GPS, RTK, A-GPS та LBS

Если устройство, использующее GPS, находится в неактивном состоянии в течение длительного времени (более нескольких часов), возникает проблема со скоростью определения местоположения при переводе устройства в активное состояние. Это связано с тем, что устройства необходимо время, чтобы определить, с какими спутниками ему нужно связаться, получить от них сигналы и определить свое местонахождение. То есть, владельцу устройства придется ожидать от 45 секунд (если устройство не было активным несколько часов) до почти 15 мин (если устройство не было активным несколько дней) и, возможно, даже дольше.

Для того чтобы влияние этого недостатка был минимальным, производители, в том числе и ТМ ОКО используют технологии A-GPS или (и) LBS, а также RTK. Как они работают и чем отличаются?

A-GPS

A-GPS (Assisted GPS) - технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приемника. Ускорение происходит благодаря информации, полученной через альтернативные каналы связи. Когда GPS-приемник перейдет с неактивного состояния в активное, ему нужно будет сначала получить данные о текущем положении спутников, а затем уже определять свое местонахождение. Это требует определенных затрат времени. A-GPS помогает ускорить определение координат, подключаясь через интернет веб-сервера (так называемого Assisted-сервера), который уже содержит актуальную информацию обо всех спутниках. Эта информация передается через GPRS или другие типы связи (например, Wi-Fi) на приемник. Таким образом, технология A-GPS придает устройству информацию о расположении нужных спутников, ускоряя «холодный старт», повышая  чувствительность приемника и уменьшая энергопотребление устройства.

Однако, данная технология не может функционировать вне зоны покрытия сотовой связи. Кроме того, по A-GPS приходится платить в соответствии с установленным вашим провайдером тарифа, поскольку она потребляет интернет-трафик (хотя и незначительный). 

LBS

LBS (Location-based service) - технология, предоставляющая возможность определить местонахождение объекта с электронной картой LBS-системы, на которой указано расположение базовых станций операторов сотовой связи. Точность определения местоположения зависит от плотности расположения базовых станций на заданной местности. Города обычно находятся в зоне сразу нескольких базовых станций, местонахождение определяется по точке пересечения радиусов покрытия каждой из станций, поэтому точность определения местоположения в населенных пунктах с помощью LBS может достигать 50 метров. За пределами населенных пунктов, точность определения может находиться в пределах от нескольких сотен метров до нескольких километров. 

Технология LBS использует статическую базу данных и позволяет получить представление о расположении объекта, но фактически не может предоставить точные координаты, кроме того, не дает никакой дополнительной информации (например, высота над уровнем моря объекта, скорость перемещения). Однако LBS может предоставить приблизительное местонахождение объекта, когда GPS не работает или работает с перебоями (например, в городе с плотной застройкой небоскребов).

RTK (Real Time Kinematic) - совокупность методов для определения местоположения в пространстве с сантиметровой точностью с помощью спутниковой навигации совместно с поправками с базовых станций. Как уже отмечалось выше, при определенных условиях (дождь, большое количество деревьев, электро-магнитные помехи и т.д.) радиосигналы со спутников частично искажаются, что является причиной ухудшения точности позиционирования. Для того, чтобы повысить точность, была изобретена технология RTK.

Принцип работы технологии RTK

Для получения поправок используется базовая станция, координаты которой должны быть известными заранее с большой точностью. Базовая станция принимает сигналы от спутников, с помощью специализированного ПО рассчитывается погрешность определения местоположения станции, формируются поправки. Они направляются на велосипед (приемник), который в свою очередь принимает сигналы от тех же спутников, и базовая станция. Ровер обрабатывает сигналы спутников и, используя поправки с базовой станции, определяет свое местоположение с точностью до 1-2 см в режиме реального времени. Для передачи поправок используются радиомодемы, интернет и т.п. 

Также возможно использование сети базовых станций, находящихся на расстоянии до 70 км друг от друга. В таком случае каждая базовая станция передает полученные из одних и тех же спутников данные о своем местонахождении на сервер, который уже формирует поправки и направляет на велосипед. Он сочетает данные с сервера и сигналы спутников и вычисляет собственно местонахождения. Таким образом, исчезает риск возникновения неточностей в случае выхода из строя одной из станций, сохраняется высокая точность определения координат, даже если велосипед находится на большом расстоянии от базовой станции.

Для получения наиболее точных данных, необходимо чтобы велосипед и базовые станции получали сигналы по крайней мере с 5 спутников и находились на расстоянии до 30 км друг от друга.

ИСТОЧНИКИ

1. https://uk.wikipedia.org

2. https://www.glonass-iac.ru

3. https://wireless-e.ru/articles/modules/2006_1_7.php

4. http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/Galileo/What_is_Galileo

5. https://www.topconpositioning.com/ru/gpsrollover

6. http://mirgarmin.com.ua/WNRO.html

7. https://www.dhs.gov/cisa/gps-week-number-roll-over

8. https://trackerplus.ru/gps/a-gps

9. http://www.portativka.com/chto-takoe-a-gps/

10. https://gpsmarker.ru/info/blog/lbs-i-a-gps-v-chem-raznitsa.html

11. http://dalgeokom.ru/media/Seti-bazovyh-stanciy-RTK/