История и основные характеристики системы GPS

по дисциплине: «Новые информационные технологии в автосервисе и на автомобильном транспорте»

На тему: «История и основные характеристики системы GPS»

Введение

Издревле люди использовали для  навигации (т. е. точного определения  курса на основе сведений о местоположении объекта) днем солнце, а ночью - звезды. Но иногда небо покрывается тучами, и тогда определить свое местоположение почти невозможно. Сегодня, когда  в небе "зажглись" искусственные "звезды" систем спутниковой навигации, путнику уже не грозит опасность  сбиться с пути.

Первые системы спутниковой  навигации создавались исключительно  для военных нужд, однако в настоящее  время они широко применяются  в гражданских целях. С их помощью  осуществляется контроль за транспортными  и грузовыми перевозками (автомобильными, железнодорожными, морскими), отслеживается  местонахождение потерянных или  угнанных транспортных средств, ведется  поиск людей в чрезвычайных ситуациях, проводятся исследования миграции животных.

Ныне в мире одна из наиболее распространенных систем спутниковой навигации - Global Positioning System. О ней и пойдет далее речь.

История возникновения системы GPS

Глобальная  навигационная система GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging - Навигационная система определения времени и дальности), предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Система была разработана по заказу Министерства обороны США, а космические аппараты (КА) изготовила компания Rockwell International.

Первая штатная орбитальная  группировка системы разворачивалась  с июня 1989 г. по март 1994 г.: на орбиту были выведены 24 КА Block II. Окончательный ввод GPS в эксплуатацию состоялся в 1995 г. Эксплуатация и обслуживание осуществляются Министерством обороны США. Система используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. GPS-приемник позволяет определять координаты объекта (широту и долготу), скорость его движения и точное время.

Архитектура и основные характеристики системы GPS

В их состав системы GPS входят космический  сегмент, состоящий из 24 КА, сеть наземных станций наблюдения за их работой  и пользовательский сегмент (навигационные  приемники). Все спутники GPS являются автономными. Параметры их орбит  периодически контролируются сетью  наземных станций слежения, с помощью  которых (не реже 1-2 раз в сутки) вычисляются  баллистические характеристики, регистрируются отклонения КА от расчетных траекторий движения и определяется собственное  время бортовых часов.

Наземные станции также контролируют исправность навигационной аппаратуры, установленной на борту КА. Для  обнаружения отказов аппаратуры требуется, как минимум, несколько  часов.

К основным характеристикам спутниковых  навигационных систем (табл. 1) кроме точности и надежности определения координат относятся доступность и целостность. Термин доступность в системах навигации означает возможность доведения до пользователей навигационных сообщений. На практике доступность оценивается как вероятность получения потребителем навигационной информации в заданный временной интервал и с требуемой точностью.

Целостность характеризует способность  системы обнаруживать свое неправильное функционирование и исключать возможность  использования ее данных пользователями при недопустимых отклонениях рабочих  характеристик. Фактически, когда речь идет о целостности системы, основной информацией являются данные о состоянии  спутников и их неисправностях. Показатель целостности системы - это вероятность  оповещения потребителей при нарушении  ее работы системы в пределах допустимого  временного периода.

Таблица 1: Технические характеристики системы GPS

Показатель	Система GPS
Орбитальная группировка
Число КА	24
Число орбитальных плоскостей	6
Число КА в каждой плоскости	4
Высота  орбиты, км	20 000
Наклонение  орбиты,	55
Период  обращения КА, ч	12
Спутники
Масса КА, кг	1055
Мощность  солнечных батарей, Вт	450
Срок  эксплуатации, лет	7,5
Навигационные ретрансляторы
Рабочие частоты, МГц	L1=1575,42; L2=12275,6
ЭИИМ, дБВт	Н/д
Мощность  передатчика, Вт	50 (L1); 8 (L2)
Поляризация	Правосторонняя
Точность навигационных определений
Погрешность определения местоположения, м	100 (C/A-код); 16 (P-код)
Погрешность определения скорости движения, м/c	10 (C/A-код); 0,1 (P код)
Погрешность определения времени	340 нс (C/A-код); 90 нc (P-код)
Надежность  навигационных определений, %	95
Примечания: Н/д - нет данных; ЭИИМ - эквивалентная изотропно излучаемая мощность.

 

Функционирование системы GPS

Каждый GPS-спутник излучает на двух частотах (L1 и L2) специальный навигационный  сигнал в виде фазоманипулированной псевдослучайной последовательности. В сигнале зашифровываются два  вида кода. Один из них - код С/А (coarse/acquisition, или clear/acquisition) - доступен широкому кругу гражданских потребителей. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому называется "грубым" кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Гоулда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц.

Другой код - P (precision code), обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им способны не все; доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS. В основном P-код предоставляется военным и федеральным службам США. Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота - 10,23 МГц.

Кроме этих кодов в сигнале GPS может  присутствовать так называемый Y-код, являющийся шифрованной версией P-кода.

Кроме кодов С/А и P навигационный спутник регулярно передает специальное сообщение, которое содержит дополнительные сведения. Пользователь информируется о состоянии спутника и его параметрах - системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения навигационного спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного навигационного GPS-приемника (рис. 1), встроенного в терминал пользователя. Устройство, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время по навигационным сигналам. В отдельных случаях навигационная антенна совмещается со связной антенной абонентского терминала (например, в системе Inmarsat-C), а прием навигационных данных может осуществляться как в обслуживаемом, так и в необслуживаемом режимах его работы.

Рисунок 1. 
Схема определения координат объекта в системах спутниковой связи с использованием GPS-приемников

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, что позволяет отслеживать  практически все навигационные  спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Если каналов меньше, чем "наблюдаемых" спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание КА. Скорость обновления навигационных данных - 1 с. Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения.

Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах - 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливается широта и долгота (высота считается известной); для этого достаточно присутствия  в зоне радиовидимости трех спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее четырех КА. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат не более 100 м.

Навигационный приемник сигналов для  системы GPS состоит из приемного  модуля и малогабаритной антенны  с малошумящим усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными  источниками питания, так и в  виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.

 

 

 

 

 

Проблема повышения точности вычисления координат объекта.

На степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих  от процедуры их определения. Эти  факторы принято называть факторами  снижения точности. Как правило, при  вычислении координат применяются  следующие стандартные факторы  снижения точности:

• геометрический фактор снижения точности (GDOP) говорит о степени влияния погрешностей псевдодальности (последняя характеризует меру удаленности потребителя от GPS-спутника). Зависит от положения спутника относительно GPS-приемника и от смещения показания GPS-часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов GPS-спутника и потребителя, а также с задержками распространения и другими ошибками.
• горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат;
• фактор снижения точности определения положения (PDOP) - это безразмерный показатель, который описывает, как влияет на точность определения координат погрешность псевдодальности;
• относительный фактор снижения точности (RDOP) по сути равен фактору снижения точности, нормализованному на период, составляющий 60 с;
• временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат;
• вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

Основными источниками ошибок, влияющими  на точность навигационных вычислений, являются следующие.

Погрешности, обусловленные  режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Реализуя этот режим, провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских потребителей. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью загрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратической ошибки из-за влияния этого фактора составляет примерно 30 м.

Погрешности, связанные  с распространением радиоволн в  ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки в лучшем случае составляет 50%. Компенсировать ошибки, вызванные ионосферной рефракцией, можно при использовании для навигации сигналов, принимаемых на двух разных частотах.

 

Погрешности, обусловленные  распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта КА. Значение погрешности обычно не больше 3 м.

Погрешность ухода шкалы  времени спутника обусловлена расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

Погрешность определения  расстояния до спутника. Данный показатель является статистическим, он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелирована с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.