Какви системи за глобална сателитна навигация съществуват. Сателитна навигационна система

творения сателитна навигацияе роден през 50-те години. В момента, когато СССР изстреля първия изкуствен спътник на Земята, американски учени, ръководени от Ричард Кершнер, наблюдаваха сигнала, идващ от съветския спътник, и установиха, че поради ефекта на Доплер честотата на приемания сигнал се увеличава с приближаването на спътника и намалява с то се отдалечава. Същността на откритието беше, че ако знаете точно своите координати на Земята, тогава става възможно да измерите позицията на спътника и обратно, знаейки точната позиция на спътника, можете да определите собствените си координати.

Тази идея се реализира след 20 години. Първият тестов сателит беше изведен в орбита на 14 юли 1974 г. от Съединените щати, а последният от всичките 24 спътника, необходими за пълното покриване на земната повърхност, беше изведен в орбита през 1993 г., като по този начин глобалната система за позициониране или накратко GPS влезе в обслужване. Стана възможно използването на GPS за точно насочване на ракети към неподвижни, а след това към движещи се обекти във въздуха и на земята. Също така с помощта на система, вградена в сателитите, стана възможно наистина да се определят мощните ядрени заряди, разположени на повърхността на планетата.

Първоначално GPS - глобалната система за позициониране, е разработена като чисто военен проект. Но след като самолет на Korean Airlines с 269 пътници на борда, нахлуващ в съветското въздушно пространство, беше свален през 1983 г., американският президент Роналд Рейгън разреши частично използване на навигационната система за граждански цели. Неточността беше намалена чрез специален алгоритъм.

Тогава се появи информация, че някои компании са дешифрирали алгоритъма за намаляване на точността и успешно са компенсирали този компонент на грешката, а през 2000 г. това загрубяване на точността е отменено с указ на президента на Съединените щати.

1. Сателитна навигационна система

Сателитна навигационна система- интегрирана електронно-техническа система, състояща се от комбинация от наземно и космическо оборудване, предназначена за определяне на местоположението (географски координати и надморска височина), както и параметри на движение (скорост и посока на движение и др.) за земя, вода и въздушни обекти.

1.1 Какво е GPS?

Сателитната навигационна система GPS първоначално е разработена от Съединените щати за военна употреба. Друго известно име на системата е "NAVSTAR". Вече известното име "GPS" е съкращение от Global Positioning System, което се превежда като глобална навигационна система. Това наименование напълно характеризира целта на системата - осигуряване на навигация по цялото земно кълбо. Не само на сушата, но и в морето и във въздуха. Използвайки навигационните сигнали на GPS системата, всеки потребител може да определи текущото си местоположение с висока точност.

Тази точност до голяма степен се дължи на стъпките, предприети от правителството на САЩ през 2000 г., за да направи GPS системата достъпна и отворена за граждански потребители. Припомнете си, че по-рано с специално отношениеселективен достъп (SA - Selective Availability), бяха въведени изкривявания в предавания сигнал, намалявайки точността на позициониране до 70–100 метра. От 1 май 2000 г. този режим е деактивиран и точността е увеличена до 3-10 метра.

Всъщност това събитие даде мощен тласък за развитието на битово GPS навигационно оборудване, намалявайки цената му и активно го популяризирайки сред обикновени потребители. В момента GPS приемници различни видовесе използват активно във всички области на човешката дейност, вариращи от конвенционална навигация до личен контрол и вълнуващи игри, като " Геокешинг". Според резултатите от много изследвания използването на GPS навигационни системи има голям икономически ефект върху световната икономика и екология - повишава се безопасността на движението, подобрява се пътната обстановка, намалява разходът на гориво и количеството вредни емисии в атмосферата намалява.

Нарастващата зависимост на европейската икономика от GPS системата, и в резултат на това от администрацията на САЩ, принуди Европа да започне да разработва своя собствена навигационна система - Gallilleo. Нова системав много отношения подобна на GPS система.

2. Състав на GPS системата

2.1 Космически сегмент

Космическият сегмент на GPS системата се състои от орбитално съзвездие от спътници, които излъчват навигационни сигнали. Сателитите са разположени в 6 орбити на височина около 20 000 км. Периодът на въртене на спътниците е 12 часа, а скоростта е около 3 км/сек. Така за един ден всеки спътник прави две пълни обиколки около Земята.

Първият сателит е изстрелян през февруари 1978 г. Размерът му с отворен слънчеви панелибеше 5 метра, а теглото - повече от 900 кг. Това беше сателитът на първата модификация на GPS-I. През последните 30 години няколко модификации на GPS спътници са се променили в орбита: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процеса на модернизация теглото на сателитите е намалено, стабилността на бордовия часовник е подобрена и надеждността е повишена.

GPS сателитите предават три навигационни сигнала на две честоти L1 и L2. "Гражданският" C/A сигнал, предаван на честота L1 (1575.42 MHz), е достъпен за всички потребители и осигурява точност на позициониране от 3-10 метра. Високопрецизен "военен" P-код се предава на честоти L1 и L2 (1227.60 MHz) и неговата точност е с порядък по-висока от "цивилния" сигнал. Използването на сигнал, предаван на две различни честоти, също прави възможно частичното компенсиране на йоносферните закъснения.

В най-новата модификация на сателитите GPS IIR-M е внедрен нов "цивилен" L2C сигнал, предназначен да увеличи GPS точностизмервания.

Идентифицирането на навигационните сигнали се извършва чрез номера, съответстващ на "псевдошумния код", уникален за всеки спътник. Техническата спецификация на GPS системата първоначално включваше 32 кода. На етапа на развитие на системата и първоначалния период на нейната експлоатация се планираше броят на работещите спътници да не надвишава 24. Бяха разпределени безплатни кодове за нови GPS сателити на етапа на въвеждане в експлоатация. И това количество беше достатъчно за нормалното функциониране на системата. Но в момента в орбита вече има 32 сателита, от които 31 работят в работен режим, предавайки навигационен сигнал към Земята.

„Излишъкът“ от сателити позволява на потребителя да изчисли позицията в условия, при които „видимостта“ на небето е ограничена от високи сгради, дървета или планини.

2.2 Наземен сегмент

Наземният сегмент на GPS системата се състои от 5 контролни станции и една главна контролна станция, разположени във военните бази на САЩ - на островите Кваджалейн и Хавай в Тихия океан, на остров Възнесение, на остров Диего Гарсия в Индийския океан и в Колорадо Спрингс, те се превърнаха в Фигура 1.Задачите на станциите за мониторинг включват приемане и измерване на навигационни сигнали, идващи от GPS сателити, изчисляване на различни видове грешки и предаване на тези данни към контролната станция. Съвместната обработка на получените данни позволява да се изчислят отклоненията на траекториите на спътниците от зададените орбити, часовите смени на бордовите часовници и грешките в навигационните съобщения. Мониторингът на състоянието на GPS сателитите се извършва почти непрекъснато. "Изтеглянето" на навигационни данни, състоящи се от прогнозирани орбити и корекции на часовника за всеки от спътниците, се извършва на всеки 24 часа, в момента, в който той е в зоната за достъп на контролната станция.

В допълнение към наземните GPS станции има няколко частни и обществени мрежипроследяване, които извършват измервания на GPS навигационни сигнали за прецизиране на параметрите на атмосферата и траекториите на сателитите.

Снимка 1

2.3 Потребителско оборудване

Потребителското оборудване се отнася до навигационни приемници, които използват сигнала от GPS сателити, за да изчислят текущата позиция, скорост и време. Потребителското оборудване може да бъде разделено на "домакински" и "професионални". В много отношения това разделение е условно, тъй като понякога е доста трудно да се определи към коя категория трябва да се причисли GPS приемник и какви критерии трябва да се използват. Има цял клас GPS навигатори, използвани за туризъм, пътуване с кола, риболов и т.н. Има авиационни и морски навигационни системи, които често са част от сложни навигационни системи. Напоследък широко се използват GPS чипове, които се интегрират в PDA устройства, телефони и други мобилни устройства.

Следователно при навигация b ОРазделянето на GPS приемниците на "кодови" и "фазови" приемници стана все по-разпространено. В първия случай информацията, предавана в навигационни съобщения, се използва за изчисляване на позицията. Повечето евтини GPS навигатори, струващи $100-2000, попадат в тази категория.

Втората категория GPS навигационни приемници използва не само данните, съдържащи се в навигационните съобщения, но и фазата на носещия сигнал. В повечето случаи това са скъпи едно- и двучестотни (L1 и L2) геодезични приемници, способни да изчисляват позиция с относителна точност от няколко сантиметра или дори милиметри. Тази точност се постига в режим RTK чрез съвместна обработка на измерванията на GPS приемника и данните от базовата станция. Цената на такива устройства може да бъде десетки хиляди долари.

3. Работен GPS навигатор А

Основният принцип, залегнал в основата на цялата GPS система, е прост и отдавна се използва за навигация и ориентация: ако знаете точното местоположение на който и да е отправна точкаи разстоянието до него, тогава можете да начертаете кръг (в 3-мерния случай сфера), върху който трябва да се намира точката на вашата позиция. На практика, ако горното разстояние, т.е. радиус е достатъчно голям, тогава можете да замените дъгата на окръжност с прав сегмент. Ако начертаете няколко такива линии, съответстващи на различни референтни точки, тогава точката на тяхното пресичане ще покаже вашето местоположение. В GPS ролята на такива еталони играят две дузини спътници, всеки от които се движи в собствена орбита на височина ~ 17 000 км над повърхността на Земята. Скоростта на тяхното движение е много висока, но параметрите на орбитата и текущото им местоположение са известни на бордовите компютри с висока точност.Важна част от всеки GPS навигатор е конвенционален приемник, работещ на фиксирана честота и постоянно “ слушане” на сигналите, предавани от тези спътници. Всеки от спътниците непрекъснато излъчва радиосигнал, който съдържа данни за параметрите на неговата орбита, състоянието на бордовото оборудване и точното време. От цялата тази информация точните данни за времето на борда са най-важни: GPS приемникът, използвайки своя вграден процесор, изчислява интервала от време между изпращане и получаване на сигнал, след което го умножава по скоростта на разпространение на радиовълните, и така нататък. открива разстоянието между сателита и приемника.

Днес ще говорим за това какво е GPS, как работи тази система. Нека обърнем внимание на развитието на тази технология, нейните функционални характеристики. Ще обсъдим и ролята на интерактивните карти в работата на системата.

История на GPS

Историята на появата на глобална система за позициониране или определяне на координати започва в Съединените щати през далечните 50-те години, когато първият съветски сателит е изстрелян в космоса. Екип от американски учени, които наблюдаваха изстрелването, забелязаха, че когато спътникът се отдалечава, той равномерно променя честотата на сигнала си. След задълбочен анализ на данните те стигнаха до извода, че с помощта на сателит, по-подробно, неговото местоположение и излъчения сигнал, е възможно точно да се определи местоположението и скоростта на човек на земята, както и както и обратното, скоростта и местоположението на спътник в орбита при определяне на точните координати на човека. В края на седемдесетте години Министерството на отбраната на САЩ пусна GPS системата за свои собствени цели и няколко години по-късно тя стана достъпна за цивилна употреба. Как работи GPS системата сега? Точно така, както се работеше тогава, на същите принципи и основи.

сателитна мрежа

Повече от двадесет и четири сателита в околоземна орбита предават котвени радиосигнали. Броят на сателитите варира, но винаги има правилния брой в орбита, за да се осигури непрекъсната работа, плюс някои от тях са в резерв, така че ако първият откаже, те ще поемат функциите им. Тъй като експлоатационният живот на всеки от тях е приблизително 10 години, стартират нови, модернизирани версии. Сателитите се въртят в шест орбити около Земята на височина по-малка от 20 хиляди км, образуват взаимосвързана мрежа, която се контролира от GPS станции. Последните са разположени на тропически острови и са свързани с основната фокусна точка в САЩ.

Как работи GPS навигатор?

Благодарение на тази мрежа можете да разберете местоположението, като изчислите забавянето на разпространението на сигнала от сателитите и използвате тази информация за определяне на координатите. Как работи GPS системата сега? Като всяка навигационна мрежа в космоса, тя е напълно безплатна. Работи с висока ефективност при всякакви климатични условия и по всяко време на денонощието. Единствената покупка, която трябва да имате, е самият GPS навигатор или устройство, което поддържа GPS функции. Всъщност принципът на навигатора се основава на отдавна използвана проста схема за навигация: ако знаете точно местоположението на маркерния обект, който е най-подходящ за ролята на ориентир, и разстоянието от него до вас, нарисувайте кръг на който маркирайте местоположението си с точка. Ако радиусът на кръга е голям, заменете го с права линия. Начертайте няколко такива ленти от вашето възможно местоположение към маркерите, пресечната точка на линиите ще покаже вашите координати на картата. Горните сателити в този случай просто играят ролята на тези маркерни обекти с разстояние от около 18 хиляди км от вашето местоположение. Въпреки че обикалят с голяма скорост, местоположението им се следи постоянно. Всеки навигатор разполага с GPS приемник, който е програмиран на желаната честота и е в пряко взаимодействие със спътника. Всеки радиосигнал съдържа определено количество откодирана информация, която включва изявления за техническото състояние на сателита, местоположението му в околоземната орбита и часовата зона ( точно време). Между другото, информацията за точното време е най-необходима за получаване на данни за вашите координати: текущото изчисляване на продължителността на времето между връщането и приемането на радиосигнала се умножава по скоростта на самата радиовълна и по краткосрочни изчисления се изчислява разстоянието между вашето навигационно устройство и сателита в орбита.

Трудности при синхронизиране

Въз основа на този принцип на навигация може да се предположи, че за да определите точно вашите координати, може да ви трябват само два спътника, въз основа на сигналите на които ще бъде лесно да намерите пресечната точка и в крайна сметка - мястото къде си. но за съжаление, технически причиниизискват използването на друг сателит като маркер. Основният проблем е часовникът на GPS приемника, който не позволява достатъчна синхронизация със сателитите. Причината за това е разликата в показването на времето (на вашия навигатор и в пространството). Сателитите имат скъпи висококачествени атомни часовници, което им позволява да отчитат времето с изключителна точност, докато конвенционалните приемници просто не могат да използват такива хронометри, тъй като размерите, цената и сложността на работа не биха позволили да се използват навсякъде. Дори малка грешка от 0,001 секунди може да измести координатите с повече от 200 км встрани!

Трети маркер

Така че разработчиците решиха да напуснат обичайната технология на кварцовите часовници в GPS навигаторите и да поемат по различен път, по-точно - да използват съответно три, същия брой линии за последващо пресичане вместо две сателитни ориентири. Решението на проблема се основава на гениално прост изход: когато всички линии от трите обозначени маркера се пресичат, дори и с възможни неточности, се създава зона под формата на триъгълник, чийто център се приема за негова среда - твоето местоположение. Той също така ви позволява да откриете разликата във времето между приемника и трите спътника (за които разликата ще бъде една и съща), което ви позволява да коригирате пресичането на линиите точно в центъра, с други думи - това определя вашия GPS координати.

Една честота

Трябва също да се отбележи, че всички сателити изпращат информация до вашето устройство на една и съща честота и това е доста необичайно. Как работи GPS навигаторът и как възприема цялата информация правилно, ако всички сателити непрекъснато и едновременно изпращат информация към него? Всичко е доста просто. За да се определят, предавателите на сателита също изпращат стандартна информация в радиосигнала, който съдържа криптиран код. Той отчита максималните характеристики на сателита и се въвежда в базата данни на вашето устройство, което след това ви позволява да проверите данните от сателита с базата данни на навигатора. Дори със в големи количествасателити в обхват много бързо и лесно могат да бъдат идентифицирани. Всичко това опростява цялата схема и позволява използването на по-малки и по-слаби приемни антени в GPS навигаторите, което намалява цената и намалява дизайна и размерите на устройствата.

GPS карти

GPS картите се изтеглят на вашето устройство отделно, тъй като вие сами влияете върху избора на района, в който искате да се движите. Системата само установява вашите координати на планетата, а функцията на картите е да пресъздадат на екрана графична версия, върху която се прилагат координатите, което ви позволява да се ориентирате в терена. Как работи GPS в този случай? Безплатно, продължава да остава в този статус, картите в някои онлайн магазини (и не само) все още се плащат. Често за устройство с GPS навигатор се създават отделни приложения за работа с карти: платени и безплатни. Разнообразието от карти приятно изненадва и ви позволява да настроите пътя от точка А до точка Б възможно най-информативно и с всички удобства: какви забележителности ще минете, най-краткия път до вашата дестинация, гласов асистентуказващи посоката и други.

Допълнително GPS оборудване

GPS системата се използва не само за насочване в правилната посока. Тя ви позволява да проследявате обект, който може да съдържа така наречения маяк или GPS тракер. Състои се от самия приемник на сигнал и предавател, базиран на gsm, 3gp или други комуникационни протоколи за предаване на информация за местоположението на обект в сервизни центровеупражняване на контрол. Използват се в много индустрии: охранителна, медицинска, застрахователна, транспортна и много други. Има и автомобилни тракери, които се свързват изключително с автомобила.

Пътувайте без проблеми

С всеки изминал ден значенията на картата и постоянния компас отиват все по-навътре в миналото. Съвременни технологиипозволяват на човек да проправи пътя за своето пътуване с минимална загуба на време, усилия и пари, като същевременно види най-вълнуващите и интересни места. Това, което беше фантазия преди около век, днес се превърна в реалност и почти всеки може да се възползва от него: от военни, моряци и пилоти на самолети до туристи и куриери. Сега използването на тези системи за търговски, развлекателни, рекламни индустрии набира голяма популярност, където всеки предприемач може да посочи себе си на глобалната карта на света и няма да е трудно да го намерите. Надяваме се, че тази статия е помогнала на всички, които се интересуват от GPS – как работи, на каква база се определят координатите, какви са силните и слабите му страни.

Много собственици на автомобили използват навигатори в колите си. Някои от тях обаче не знаят за съществуването на две различни сателитни системи – руската ГЛОНАСС и американската GPS. От тази статия ще научите какви са техните разлики и кой трябва да бъде предпочитан.

Как работи навигационната система

Навигационната система се използва основно за определяне на местоположението на обект (в случая автомобил) и неговата скорост. Понякога се изисква да се определят и някои други параметри, например височина над морското равнище.

Тя изчислява тези параметри, като задава разстоянието между самия навигатор и всеки от няколко сателита, разположени в околоземна орбита. Като правило, за ефективна работасистемата се нуждае от синхронизация с четири сателита. Променяйки тези разстояния, той определя координатите на обекта и други характеристики на движението. Сателитите GLONASS не са синхронизирани с въртенето на Земята, което гарантира тяхната стабилност за дълъг период от време.

Видео: GlonaSS срещу GPS

Какво е по-добро GLONASS или GPS и каква е разликата между тях

Навигационните системи предполагат основно използването им за военни цели и едва след това стават достъпни за обикновените граждани. Очевидно военните трябва да използват разработките на собствената си държава, тъй като чужда навигационна система може да бъде изключена от властите на тази страна в случай на конфликтна ситуация. Освен това в Русия призовават за използване на системата ГЛОНАСС в ежедневието от военни и държавни служители.

В ежедневието обикновеният шофьор изобщо не трябва да се тревожи за избора на навигационна система. Както GLONASS, така и осигуряват качество на навигация, достатъчно за ежедневна употреба. В северните територии на Русия и други държави, разположени в северните ширини, спътниците на ГЛОНАСС работят по-ефективно поради факта, че техните траектории са по-високи над Земята. Тоест в Арктика, в скандинавските страни, ГЛОНАСС е по-ефективна и шведите признаха това още през 2011 г. В други региони GPS е малко по-точен от GLONASS при определяне на местоположението. Според Руска системадиференциална корекция и мониторинг на GPS грешки в диапазона от 2 до 8 метра, GLONASS грешки от 4 до 8 метра. Но GPS, за да определите местоположението, трябва да хванете от 6 до 11 спътника, GLONASS е достатъчен за 6-7 спътника.

Трябва също да се отбележи, че GPS системата се появи 8 години по-рано и навлезе в солидна празнина през 90-те години. И през последното десетилетие GLONASS намали тази разлика почти напълно и до 2020 г. разработчиците обещават, че GLONASS няма да отстъпва по нищо на GPS.

Повечето от съвременните са оборудвани с комбинирана система, поддържаща както руската сателитна система, така и американската. Именно тези устройства са най-точни и имат най-малка грешка при определяне на координатите на автомобила. Стабилността на получените сигнали също се увеличава, тъй като такова устройство може да „вижда“ повече сателити. От друга страна, цените на такива навигатори са много по-високи от едносистемните аналози. Разбираемо е - в тях са вградени два чипа, способни да приемат сигнали от всеки тип сателит.

Видео: тест на GPS и GPS + GLONASS приемници Redpower CarPad3

По този начин най-точните и надеждни навигатори са двусистемни устройства. Предимствата им обаче са свързани с един съществен недостатък - цената. Ето защо, когато избирате, трябва да помислите - необходима ли е такава висока точност при ежедневна употреба? Освен това за обикновен автомобилен ентусиаст не е много важно коя навигационна система да използва - руска или американска. Нито GPS, нито GLONASS ще ви позволят да се изгубите и да ви отведат до желаната дестинация.

Статията разглежда принципа на работа, състава и характеристиките на системата за сателитно позициониране GPS (на английски Global Positioning System).
Навигационната система за глобално позициониране (GPS) е част от комплекса NAVSTAR, който е разработен, внедрен и управляван от Министерството на отбраната на САЩ. Разработката на комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites provider Time And Range - навигационна система за определяне на време и обхват) е започнала през далечната 1973 г., като още на 22 февруари 1978 г. е направено първото тестово изстрелване на комплекса, а през март 1978 г. комплексът NAVSTAR започва да функционира. Първият тестов сателит е изстрелян на 14 юли 1974 г., а последният от 24-те необходими спътника за пълно покритие на Земята е изстрелян през 1993 г. Граждански сегмент на армията сателитна мрежа NAVSTAR обикновено се нарича съкращението за GPS, а търговската експлоатация на системата в сегашния й вид започва през 1995 г.
Повече от 20 години след тестовото пускане на GPS системата и 5 години след началото на търговската експлоатация на GPS системата за глобално позициониране, на 1 май 2000 г. Министерството на отбраната на САЩ отмени специалните условия за използване на GPS системата, които съществуваха до тогава. Американските военни изключиха смущенията (SA - селективна наличност), което изкуствено намалява точността на цивилните GPS приемници, след което точността на определяне на координатите с помощта на домашни навигатори се увеличи поне 5 пъти. След като американците отмениха режима на селективен достъп, точността на определяне на координатите с помощта на най-простия цивилен GPS навигаторварира от 5 до 20 метра (височината се определя с точност до 10 метра) и зависи от условията за приемане на сигнали в определена точка, броя на видимите спътници и редица други причини. Горните цифри съответстват на едновременното приемане на сигнал от 6-8 спътника. Повечето съвременни GPS приемници имат 12-канален приемник, който ви позволява едновременно да обработвате информация от 12 сателита. Военното приложение на навигация, базирано на NAVSTAR, осигурява с порядък по-висока точност (до няколко милиметра) и е снабдено с криптиран P (Y) код. Информацията в C/A код (стандартна точност), предадена чрез L1, се разпространява свободно, безплатно, без ограничения за използване.

Основата на GPS системата са навигационни спътници, движещи се около Земята по 6 кръгови орбитални траектории (по 4 спътника във всяка), на надморска височина 20180 km. GPS сателитите се завъртат около Земята за 12 часа, теглото им в орбита е около 840 кг, размерите им са 1,52 м ширина и 5,33 м дължина, в т.ч. слънчеви панелипроизвежда 800 вата мощност. 24 сателита осигуряват 100% работоспособност на GPS навигационната система навсякъде по света. Максималният възможен брой едновременно работещи сателити в системата NAVSTAR е ограничен до 37. В момента има 32 сателита в орбита, 24 основни и 8 резервни в случай на повреда.

Орбиталното съзвездие се наблюдава от Главната контролна станция (MCS), разположена във военновъздушната база Шрайвър, бр. Колорадо, САЩ. Той контролира GPS навигационната система в глобален мащаб. Базата на военновъздушните сили Шривър е домът на 50-то космическо командване на САЩ, подразделение на командването на военновъздушните сили на САЩ.

Наземната част на GPS системата се състои от десет станции за проследяване, разположени на островите Кваджалейн и Хавай в Тихия океан, на остров Възнесение, на остров Диего Гарсия в Индийския океан, а също и в Колорадо Спрингс, в Кейп Канаверел, настолен компютър. Флорида и т.н. Броят на наземните станции непрекъснато расте, всички проследяващи станции използват GPS приемници за пасивно проследяване на навигационните сигнали на всички спътници. Информацията от наблюдателните станции се обработва в главната контролна станция MCS и се използва за актуализиране на спътниковите ефемериди. Навигационните данни, състоящи се от прогнозирани орбити и корекции на часовника, се изтеглят за всеки сателит на всеки 24 часа.

Определяне на координати и GPS навигация.
Основата на идеята за определяне на координатите на GPS приемник е да се изчисли разстоянието от него до няколко спътника, чието местоположение се счита за известно. Определянето на местоположението на GPS приемника в пространството се основава на алгоритъма за измерване на разстоянието от точката на наблюдение до сателита. Ранжирането се основава на изчисляване на разстоянието от времето на забавяне на разпространението на радиосигнал от сателит към приемник. Ако знаете времето на разпространение на радиосигнал, тогава пътят, който е изминал, е лесен за изчисляване. Приемниците работят в пасивен режим и изчисляват своите координати, но това изобщо не означава, че координатите на GPS приемника ще бъдат известни на всеки друг, освен на неговия собственик. Всеки сателит на GPS системата непрекъснато генерира радиовълни с две честоти - L1=1575.42MHz и L2=1227.60MHz. Всеки GPS приемник има собствен осцилатор, работещ на същата честота и модулиращ сигнала по същия закон като осцилатора на спътника. По този начин, от времето на забавяне между едни и същи секции на кода, получени от спътника и генерирани независимо, е възможно да се изчисли времето за разпространение на сигнала и, следователно, разстоянието до спътника.
Основният проблем при изчисляването на разстоянието до GPS сателит е свързан със синхронизирането на часовниците на сателита и в приемника. Дори малка грешка може да доведе до огромна грешка при определяне на разстоянието. Всеки сателит носи високопрецизен атомен часовник на борда, който е невъзможно да се вгради в конвенционален GPS приемник. За да се съпостави разминаването във времето и да се избегнат огромни грешки в позиционирането, GPS системата въведе принципа на излишък за определяне на триизмерни координати на повърхността на Земята. GPS приемникът използва сигналите не на три, а на поне четири спътника и на базата на спомагателни сигнали прави всички необходими корекции в работата на своя часовник. В допълнение към навигационните сигнали сателитът непрекъснато предава различна служебна информация. GPS приемникът получава например ефемериди (точни данни за орбитата на спътника), прогноза за забавянето на разпространението на радиосигнала в йоносферата, както и информация за здравето на спътника (т.нар. „алманах“, съдържащ информация за състоянието и орбитите на всички спътници, актуализирана на всеки 12,5 минути). Тези данни се предават при 50 bit/s на честоти L1 или L2.

Нека обозначим разстоянието до навигационните спътници на GPS системата като A, B и C. Да приемем, че разстоянието A до един сателит е известно. В този случай координатите на GPS приемника не могат да бъдат определени, т.к може да се намира във всяка точка на сферата с радиус А, описана около спътника. Ако разстоянието B на приемника от втория спътник е известно, тогава определянето на координатите също не е възможно - обектът е някъде върху кръга (показан в синьо), който е пресечната точка на две сфери. Известното разстояние C до третия спътник намалява несигурността в координатите до две точки (обозначени с червени точки). Това вече е достатъчно за недвусмислено определяне на координатите на GPS приемника. Въпреки факта, че имаме две точки с координати, само едната е на повърхността на Земята, а втората, фалшива, е или дълбоко в Земята, или много високо над нейната повърхност. Така, теоретично, за триизмерна GPS навигация е достатъчно да се знаят разстоянията от приемника до три спътника, но, както вече казахме, GPS приемникът използва сигналите не на три, а на поне четири спътника и, въз основа на спомагателни сигнали прави всички необходими настройки за подобряване на точността на навигацията.
Недостатъците на GPS навигацията са, че при определени условия сигналът може да не достигне до GPS приемника, така че е почти невъзможно да се определи точното ви местоположение в дълбините на апартамент в стоманобетонна сграда, в мазе или в тунел . Работната честота на GPS е в диапазона на дециметровите радиовълни, така че нивото на приемане на сигнала от сателитите може да се влоши под гъста зеленина на дървета, в райони с гъсто градско развитие или поради тежки облаци и това ще повлияе на точността на позициониране. Магнитните бури и наземните радиоизточници също могат да попречат на нормалното GPS приемане. Картите, предназначени за GPS навигация, бързо остаряват и може да не са точни, така че трябва да се доверите не само на данните от GPS приемника, но и на собствените си очи. Особено заслужава да се отбележи, че работата на глобалната GPS навигационна система зависи изцяло от Министерството на отбраната на САЩ и не може да бъде сигурно, че по всяко време САЩ няма да включат смущения (SA - селективна наличност) или дори напълно да се изключат цивилния GPS сектор както в конкретен регион, така и като цяло. Вече има желаещи. За щастие, GPS има алтернатива под формата на навигационни системи GLONASS (Русия) и Galileo (ЕС), които трябва да станат широко разпространени в бъдеще.

Навигацията е дефинирането на координатно-времеви параметри на обекти.

Първото ефективно средство за навигация е позиционирането по видими небесни тела (слънце, звезди, луна). Друг най-прост метод за навигация е геореферирането, т.е. позициониране спрямо известни забележителности (водонапорни кули, електропроводи, магистрали и железниции т.н.).

Системите за навигация и позициониране са предназначени за постоянно наблюдение на местоположението (състоянието) на обектите. Понастоящем има два класа помощни средства за навигация и позициониране: наземни и космически.

Наземните включват стационарни, преносими и преносими системи, комплекси, наземни разузнавателни станции, други средства за навигация и позициониране. Принципът на тяхното действие е да управляват радиоефира с помощта на специални антени, свързани със сканиращи радиостанции, и да изолират радиосигнали, излъчвани от радиопредаватели на проследяващи обекти или излъчвани от самия комплекс (станция) и отразени от проследяващия обект или от специален етикет или бордов кодов сензор (CBD), поставен върху обект. При използване на този вид технически средствае възможно да се получи информация за координатите на местоположението, посоката и скоростта на движение на контролирания обект. Ако върху проследяваните обекти има специална маркировка или CBD, идентификационните устройства, свързани към системите, позволяват не само да се маркира местоположението на наблюдаваните обекти на електронна карта, но и да се разграничат съответно.

Системите за космическа навигация и позициониране са разделени на два вида.

Първият тип системи за космическа навигация и позициониране се отличава с използването на специални сензори върху мобилни обекти за проследяване - приемници на сателитни навигационни системи като GLONASS (Русия) или GPS (САЩ). Навигационните приемници на мобилните обекти за проследяване получават радиосигнал от навигационната система, който съдържа координатите (ефемеридите) на спътниците в орбита и референтния час. Процесорът на навигационния приемник, според данни от спътници (поне три), изчислява географската ширина и дължина на своето местоположение (приемник). Тази информация (географски координати) може да се визуализира както на самия навигационен приемник, при наличие на устройство за извеждане на информация (дисплей, монитор), така и в точката за проследяване, когато се предава от навигационния приемник на движещ се обект по радиото. комуникация (радиална, конвенционална, транкингова, клетъчна, сателитна).

Вторият тип системи за космическа навигация и позициониране се отличават със сканиращо приемане (ориентиране) в орбита на сигнали, идващи от радиомаяци, инсталирани на обекта за проследяване. Сателитът, получаващ сигнали от радиомаяци, като правило първо се натрупва и след това в определена точка от орбитата предава информация за проследяване на обекти на наземен център за обработка на данни. В същото време времето за доставка на информация се увеличава донякъде.

Сателитните навигационни системи позволяват:

• извършват непрекъснат мониторинг и проследяване на всякакви движещи се обекти;
• показва на електронната карта на диспечера координатите, маршрута и скоростта на движение на обектите за контрол и проследяване (с точност на определяне на координати и надморска височина до 100 m, а в диференциален режим - до 2 ... 5 m);
• своевременно реагиране на аварийни ситуации (промени в очакваните параметри в обекта на контрол и проследяване или в неговия маршрут и график на движение, SOS сигнал и др.);
• оптимизиране на маршрути и графици за движение на обекти на контрол и проследяване.

Понастоящем функциите на специализирани системи за навигация и позициониране (автоматично проследяване на текущото местоположение на абонатни устройства, комуникационни терминали с цел осигуряване на роуминг и предоставяне на комуникационни услуги) могат да се изпълняват с относителна точност от сателит и клетъчна мрежа (ако е налична на базови станцииоборудване за позициониране) радиокомуникационни системи.

Широко разпространено въвеждане на системи за навигация и позициониране, широко разпространено инсталиране на подходящо оборудване в мрежите клетъчна комуникацияРусия, за да определи и постоянно да наблюдава местоположението на работещи предаватели, патрули, превозни средства и други обекти, представляващи интерес за органите на вътрешните работи, може значително да разшири възможностите на правоприлагащите органи.

Основният принцип на позициониране с помощта на сателитни навигационни системи е използването на сателити като референтни точки.

За да се определи географската ширина и дължина на наземен приемник, приемникът трябва да получава сигнали от поне три спътника и да знае техните координати и разстоянието от спътниците до приемника (фиг. 6.8). Координатите се измерват спрямо центъра на земята, който има координата (0, 0, 0).

Разстоянието от сателита до приемника се изчислява от измереното време на разпространение на сигнала. Тези изчисления не са трудни за извършване, тъй като е известно, че електромагнитните вълни се разпространяват със скоростта на светлината. Ако са известни координатите на три спътника и разстоянията от тях до приемника, тогава приемникът може да изчисли едно от две възможни места в пространството (точки 1 и 2 на фиг. 6.8). Обикновено приемникът може да определи коя от двете точки е валидна, тъй като една стойност на местоположението има безсмислена стойност.

Ориз. 6.8. Определяне на позицията по сигнали от три спътника

На практика, за да се елиминира грешката на часовника на генератора, която влияе върху точността на измерванията на времевата разлика, е необходимо да се знае местоположението и разстоянието до четвъртия спътник (фиг. 6.9).

Ориз. 6.9. Определяне на позицията по сигнали от четири сателита

В момента активно се използват две сателитни навигационни системи - ГЛОНАСС и GPS.

Сателитните навигационни системи включват три компонента (фиг. 6.10):

• космически сегмент, който включва орбитално съзвездие от изкуствени спътници на Земята (с други думи, навигационни космически кораби);
• контролен сегмент, наземен контролен комплекс (GCC) на орбиталното съзвездие на космически кораби;
• потребителско оборудване на системата.

Ориз. 6.10. Състав на спътникови навигационни системи

Космическият сегмент на системата GLONASS се състои от 24 навигационни космически кораба (NSV), разположени на кръгови орбити с височина 19 100 km, наклон 64,5 ° и орбитален период от 11 часа 15 минути в три орбитални равнини (фиг. 6.11). Всяка орбитална равнина побира 8 спътника с равномерно изместване на географската ширина от 45°.

Космическият сегмент на GPS навигационната система се състои от 24 основни сателита и 3 резервни. Сателитите са в шест кръгови орбити с надморска височина от около 20 000 km, наклон от 55°, равномерно разпределени по дължина на интервали от 60°.

Ориз. 6.11. Орбити на сателити GLONASS и GPS

Сегментът на наземния контролен комплекс на системата ГЛОНАСС изпълнява следните функции:

• поддръжка на ефемериди и време-честота;
• радионавигационен мониторинг на полето;
• радиотелеметричен мониторинг на НСК;
• командно и програмно радиоуправление на НБК.

За синхронизиране на времевите скали на различни спътници с необходимата точност на борда на NSC се използват цезиеви честотни стандарти с относителна нестабилност от порядъка на 10 -13 s. Комплексът за наземно управление използва водороден стандарт с относителна нестабилност 10 -14 s. В допълнение, GCC включва средства за коригиране на сателитните времеви мащаби спрямо референтната скала с грешка от 3-5 ns.

Наземният сегмент осигурява поддръжка на ефемериди за сателитите. Това означава, че параметрите на сателитното движение се определят на земята и стойностите на тези параметри се прогнозират за предварително определен период от време. Параметрите и тяхната прогноза са вградени в навигационното съобщение, предавано от спътника заедно с предаването на навигационния сигнал. Това също така включва времево-честотни корекции на времевата скала на борда на сателита спрямо системното време. Измерването и прогнозирането на параметрите на движение на спътника се извършват в балистичния център на системата въз основа на резултатите от траекторните измервания на разстоянието до спътника и неговата радиална скорост.

Потребителското оборудване на системата е радиотехническо устройство, предназначено да приема и обработва радионавигационни сигнали на навигационни космически кораби за определяне на пространствени координати, компоненти на вектора на скоростта на движение и коригиране на времевите мащаби на потребителя на глобалната навигационна спътникова система.

Приемникът определя местоположението на потребителя, който избира от всички наблюдавани спътници най-благоприятния от гледна точка на осигуряване на точност на навигация. Според обхватите до избраните сателити определя дължината, ширината и височината на потребителя, както и параметрите на неговото движение: посока и скорост. Получените данни се показват на дисплея под формата на цифрови координати или се показват на карта, предварително копирана в приемника.

Приемниците на сателитните навигационни системи са пасивни, т.е. не излъчват сигнали и нямат обратен комуникационен канал. Това ви позволява да имате неограничен брой потребители на навигационни комуникационни системи.

Понастоящем широко разпространени са системите за наблюдение на движението на обекти, базирани на сателитни навигационни системи. Структурата на такава система е показана на фиг. 6.12.

Ориз. 6.12. Структура на системата за мониторинг

Навигационните приемници, инсталирани на обектите за проследяване, приемат сигнали от сателити и изчисляват техните координати. Но тъй като навигационните приемници са пасивни устройства, е необходимо да се осигури система за предаване на изчислените координати към центъра за наблюдение в системата. Като средство за предаване на данни за координатите на обекта могат да служат VHF радиомодеми, GSM/GPRS/EDGE модеми (2G мрежи), мрежи от трето поколение, работещи по протоколите UMTS/HSDPA, CDMA модеми, сателитни комуникационни системи и др. наблюдение.

Центърът за наблюдение на системата за сателитна навигация и наблюдение е предназначен да наблюдава обекти, на които е инсталирано (съдържащо се) навигационно и комуникационно оборудване, за да контролира индивидуалните му параметри (местоположение, скорост, посока на движение) и да взема решения за определени действия.

Центърът за мониторинг съдържа софтуерни и хардуерни инструменти за обработка на информация, които осигуряват:

• приемане, обработка и съхранение на информация, постъпваща от обекти на наблюдение;
• показване на електронната карта на района информация за местоположението на обектите за наблюдение.

Системата за навигация и наблюдение на органите на вътрешните работи решава следните задачи:

• осигуряване на автоматизиран контрол от персонала на дежурната част за разполагането на екипажите на МПС;
• предоставяне на информация на дежурния персонал за местоположението на превозните средства за вземане на управленски решения при организиране на бърза реакция при инциденти в зоната на отговорност;
• показване в графичен формат на информация за позиционирането на превозните средства и друга служебна информация на автоматизиран работно мястооператор;
• формиране и съхраняване на архив за маршрутите на движение на екипажите на МПС по време на службата им;
• издаване на статистически отчети за изпълнението на нормите за задължително разгръщане на сили и средства по време на дежурната смяна, обобщени параметри на ефективността на използването на силите и средствата, показатели за контрол на зоните на отговорност.

За да се осигури висока надеждност и надеждност на предаването на мониторингова информация от бордовото оборудване на моторните превозни средства на звената на Министерството на вътрешните работи на Русия към дежурната охрана, е необходимо да се използва резервен канал за предаване на данни като част на системата, която може да се използва като