Pomysł lokalizowania obiektów za pomocą sztucznych satelitów Ziemi przyszedł do głowy Amerykanom już w latach pięćdziesiątych XX wieku. Jednak radziecki satelita popchnął naukowców.

Amerykański fizyk Richard Kershner zdał sobie sprawę, że znając współrzędne na ziemi, można poznać prędkość radzieckiego statku kosmicznego. To tu rozpoczęło się wdrażanie programu, który później stał się znany jako GPS – globalny system pozycjonowania. W 1974 roku na orbitę wystrzelono pierwszego amerykańskiego satelitę. Początkowo projekt ten był przeznaczony dla departamentów wojskowych.

Jak działa geolokalizacja

Przyjrzyjmy się funkcjom geolokalizacji na przykładzie zwykłego trackera. Do momentu aktywacji urządzenie znajduje się w trybie czuwania, moduł GPS GLONASS jest wyłączony. Ta opcja ma na celu oszczędzanie akumulatora i wydłużanie okresu żywotność baterii urządzenia.

Podczas aktywacji uruchamiane są jednocześnie trzy procesy:

• Odbiornik GPS rozpoczyna analizę współrzędnych za pomocą wbudowanego programu. Jeśli w tym momencie zostaną wykryte trzy satelity, system zostanie uznany za niedostępny. To samo dzieje się z GLONASS;
• jeśli tracker (na przykład nawigator) obsługuje moduły dwóch systemów, wówczas urządzenie analizuje informacje otrzymane z obu satelitów. Następnie odczytuje informacje, które uważa za wiarygodne;
• jeśli w odpowiednim momencie sygnały obu systemów nie będą dostępne, wówczas zostanie włączony GSM. Ale dane uzyskane w ten sposób będą niedokładne.

Dlatego zastanawiając się co wybrać – GPS czy GLONASS, wybierz sprzęt obsługujący dwa systemy satelitarne. Wady jednego z nich zostaną pokryte przez drugie. Dzięki temu do odbiornika jednocześnie docierają sygnały z 18-20 satelitów. Zapewnia to dobry poziom i stabilność sygnału oraz minimalizuje błędy.

Koszt usługi monitoringu GPS i GLONASS

Na ostateczny koszt sprzętu wpływa kilka czynników:

• kraj pochodzenia;
• jakie systemy nawigacji są używane;
• jakość materiałów i dodatkowe funkcje;
• konserwacja oprogramowania.

Najbardziej budżetową opcją jest sprzęt wyprodukowany w Chinach. Cena zaczyna się od 1000 rubli. Nie należy jednak oczekiwać wysokiej jakości usług. Za takie pieniądze właściciel otrzyma ograniczoną funkcjonalność i krótką żywotność.

Kolejnym segmentem sprzętu są producenci europejscy. Kwota zaczyna się od 5000 rubli, ale w zamian kupujący otrzymuje stajnię oprogramowanie i zaawansowane funkcje.

Rosyjscy producenci oferują dość opłacalny sprzęt w rozsądnych cenach. Ceny krajowych trackerów zaczynają się od 2500 rubli.

Odrębna pozycja wydatków – opłata abonamentowa i płatności za usługi dodatkowe. Opłata miesięczna dla firm krajowych – 400 rubli. Europejscy producenci otwierają dodatkowe opcje dla dodatkowej „monety”.

Będziesz także musiał zapłacić za instalację sprzętu. Średnio instalacja w centrum serwisowym będzie kosztować 1500 rubli.

Zalety i wady GLONASS i GPS

Przyjrzyjmy się teraz zaletom i wadom każdego systemu.

Satelity GPS prawie nie pojawiają się na półkuli południowej, natomiast GLONASS przesyła sygnały do ​​Moskwy, Szwecji i Norwegii. Czystość sygnału jest wyższa w systemie amerykańskim dzięki 27 aktywnym satelitom. Różnica w błędach „gra na rękę” amerykańskich satelitów. Dla porównania: niedokładność GLONASS wynosi 2,8 m, a GPS 1,8 m. Jest to jednak wartość średnia. Czystość obliczeń zależy od położenia satelitów na orbicie. W niektórych przypadkach urządzenia są ustawione w taki sposób, że zwiększa się stopień błędnych obliczeń. Sytuacja ta występuje w obu systemach.

Wznawiać

Co zatem zwycięży w porównaniu GPS z GLONASS? Ściśle mówiąc, użytkowników cywilnych nie interesuje, z jakich satelitów korzysta ich sprzęt nawigacyjny. Oba systemy są bezpłatne i zlokalizowane w otwarty dostęp. Rozsądnym rozwiązaniem dla deweloperów byłaby wzajemna integracja systemów. W takim przypadku tracker będzie miał wymaganą liczbę urządzeń w swoim „polu widzenia” nawet przy niesprzyjających warunkach pogodowych i zakłóceniach w postaci wysokościowców.

GPS i GLONASS. Wideo na ten temat

Przez długi czas globalny system geolokalizacji GPS, stworzony w Stanach Zjednoczonych, był jedynym dostępnym dla zwykłych użytkowników. Ale nawet biorąc pod uwagę fakt, że dokładność urządzeń cywilnych była początkowo niższa w porównaniu z analogami wojskowymi, wystarczała zarówno do nawigacji, jak i śledzenia współrzędnych samochodów.

Jednakże Związek Radziecki opracował własny system wyznaczania współrzędnych, znany dziś jako GLONASS. Pomimo podobnej zasady działania (wykorzystuje się obliczanie odstępów czasowych pomiędzy sygnałami z satelitów), GLONASS różni się od GPS poważnymi różnicami praktycznymi, zarówno ze względu na warunki rozwoju, jak i praktyczne zastosowanie.

• GLONASS jest dokładniejszy w regionach północnych. Wyjaśnia to fakt, że znaczące grupy wojskowe ZSRR, a następnie Rosji, znajdowały się właśnie na północy kraju. Dlatego mechanikę GLONASS obliczono z uwzględnieniem dokładności w takich warunkach.
• Dla nieprzerwanej pracy systemu GLONASSnie są wymagane żadne stacje korekcyjne. Aby zapewnić dokładność GPS, którego satelity są nieruchome względem Ziemi, potrzebny jest łańcuch stacji geostacjonarnych monitorujących nieuniknione odchylenia. Z kolei satelity GLONASS są mobilne względem Ziemi, więc początkowo nie ma problemu z korektą współrzędnych.

W przypadku użytku cywilnego różnica ta jest zauważalna. Na przykład w Szwecji 10 lat temu aktywnie wykorzystywano GLONASS, pomimo dużej ilości już istniejącego sprzętu GPS. Znaczna część terytorium tego kraju leży na szerokościach geograficznych północnej Rosji, a zalety GLONASS w takich warunkach są oczywiste: im mniejsze nachylenie satelity względem horyzontu, tym dokładniej można obliczyć współrzędne i prędkość ruchu z równą dokładnością w szacowaniu odstępów czasowych pomiędzy ich sygnałami (ustalanych przez wyposażenie nawigatora).

Więc co jest lepsze?

Wystarczy ocenić rynek nowoczesnych systemów telematycznych, aby uzyskać prawidłową odpowiedź na to pytanie. Wykorzystując jednocześnie połączenie z satelitami GPS i GLONASS w systemie nawigacji lub systemie bezpieczeństwa, można osiągnąć trzy główne korzyści.

• Wysoka dokładność. System analizując aktualne dane, potrafi wybrać najbardziej poprawne z dostępnych. Na przykład na szerokości geograficznej Moskwy GPS zapewnia teraz maksymalną dokładność, podczas gdy w Murmańsku GLONASS stanie się liderem w tym parametrze.
• Maksymalna niezawodność. Obydwa systemy działają na różnych kanałach, zatem w przypadku celowego zagłuszania lub zakłóceń ze strony osób trzecich w zasięgu GPS (jak w tym bardziej powszechnym) system zachowa możliwość geolokalizacji poprzez sieć GLONASS.
• Niezależność. Ponieważ zarówno GPS, jak i GLONASS są pierwotnie systemami wojskowymi, użytkownikowi może grozić pozbawienie dostępu do jednej z sieci. Aby to zrobić, programista musi jedynie wprowadzić ograniczenia oprogramowania w implementacji protokołu komunikacyjnego. Dla rosyjskiego konsumenta GLONASS staje się w pewnym stopniu rezerwową metodą działania w przypadku niedostępności GPS.

Dlatego oferowane przez nas systemy satelitarne Caesar we wszystkich modyfikacjach korzystają z podwójnej geolokalizacji, uzupełnionej o śledzenie współrzędnych przez stacje bazowe komunikacja komórkowa.

Jak działa naprawdę niezawodna geolokalizacja

Przyjrzyjmy się działaniu niezawodnego systemu śledzenia GPS/GLONASS na przykładzie Cesar Tracker A.

System znajduje się w trybie uśpienia i nie przesyła danych sieć komórkowa oraz wyłączenie odbiorników GPS i GLONASS. Jest to konieczne, aby zaoszczędzić odpowiednio maksymalne możliwe zasoby wbudowanego akumulatora, aby zapewnić największą autonomię systemu chroniącego Twój samochód. W większości przypadków bateria wytrzymuje 2 lata. Jeśli chcesz zlokalizować swój samochód, na przykład jeśli został skradziony, musisz skontaktować się z centrum bezpieczeństwa Caesar Satellite. Nasi pracownicy przełączają system w stan aktywny i otrzymują dane o lokalizacji samochodu.

Podczas przejścia do trybu aktywnego zachodzą jednocześnie trzy niezależne procesy:

• Odbiornik GPS zostaje uruchomiony i analizuje współrzędne za pomocą programu do geolokalizacji. Jeśli w danym okresie zostaną wykryte mniej niż trzy satelity, system zostanie uznany za niedostępny. W podobny sposób współrzędne wyznaczane są z wykorzystaniem kanału GLONASS.
• Tracker porównuje dane z obu systemów. Jeśli w każdym z nich wykryta zostanie wystarczająca liczba satelitów, moduł śledzący wybiera dane, które uważa za bardziej wiarygodne i dokładne. Dotyczy to zwłaszcza aktywnych zabezpieczeń elektronicznych – zakłócania lub zastępowania sygnału GPS.
• Moduł GSM przetwarza dane geolokalizacyjne za pośrednictwem LBS (komórkowych stacji bazowych). Ta metoda jest uważana za najmniej dokładną i jest stosowana tylko wtedy, gdy nie jest dostępny zarówno system GPS, jak i GLONASS.

Zatem, nowoczesny systemśledzenie ma potrójną niezawodność, wykorzystując oddzielnie trzy systemy geolokalizacji. Ale oczywiście to obsługa GPS/GLONASS w konstrukcji trackera zapewnia maksymalną dokładność.

Zastosowanie w systemach monitoringu

W przeciwieństwie do sygnalizatorów śledzących, systemy monitorowania stosowane w pojazdach użytkowych stale monitorują lokalizację pojazdu i aktualną prędkość. Dzięki tej aplikacji zalety podwójnego geolokalizacji GPS/GLONASS są jeszcze pełniej widoczne. Powielanie systemów pozwala na:

• wspomaganie monitoringu w przypadku krótkotrwałych problemów z odbiorem sygnału z GPS lub GLONASS;
• zachować wysoką dokładność niezależnie od kierunku lotu. Korzystając z systemu takiego jak CS Logistic GLONASS PRO, możesz śmiało obsługiwać loty z Czukotki do Rostowa nad Donem, zachowując pełną kontrolę nad transportem na całej trasie;
• chronią pojazdy użytkowe przed otwarciem i kradzieżą. Serwery Caesar Satellite otrzymują w czasie rzeczywistym informacje o czasie i dokładnej lokalizacji samochodu;
• skutecznie przeciwdziałać porywaczom. System oszczędza pamięć wewnętrzna maksymalną możliwą ilość danych nawet w sytuacji, gdy kanał komunikacji z serwerem jest całkowicie niedostępny. Informacje zaczynają być przesyłane przy najmniejszej przerwie w zakłócaniu radia.

Wybierając system GPS/GLONASS, zapewniasz sobie najlepszą obsługę i bezpieczeństwo w porównaniu z systemami wykorzystującymi tylko jedną z metod geolokalizacji.

Wielu właścicieli samochodów korzysta z nawigatorów w swoich samochodach. Część z nich nie wie jednak o istnieniu dwóch różnych systemów satelitarnych – rosyjskiego GLONASS i amerykańskiego GPS. Z tego artykułu dowiesz się, jakie są między nimi różnice i który z nich powinien być preferowany.

Jak działa system nawigacji?

System nawigacji służy głównie do określenia lokalizacji obiektu (w tym przypadku samochodu) i jego prędkości. Czasami wymagane jest określenie innych parametrów, na przykład wysokości nad poziomem morza.

Oblicza te parametry poprzez ustalenie odległości pomiędzy samym nawigatorem a każdym z kilku satelitów znajdujących się na orbicie okołoziemskiej. Zazwyczaj do skutecznego działania systemu wymagana jest synchronizacja z czterema satelitami. Zmieniając te odległości, określa współrzędne obiektu i inne cechy ruchu. Satelity GLONASS nie są zsynchronizowane z obrotem Ziemi, co zapewnia ich stabilność w długim okresie czasu.

Wideo: GloNaSS kontra GPS

Co jest lepsze GLONASS lub GPS i jaka jest między nimi różnica

Systemy nawigacyjne miały służyć przede wszystkim celom wojskowym, dopiero potem stały się dostępne dla zwykłych obywateli. Rzecz jasna, wojsko musi korzystać z rozwoju swojego państwa, gdyż w przypadku wystąpienia sytuacji konfliktowej obcy system nawigacyjny może zostać wyłączony przez władze tego państwa. Ponadto w Rosji zachęca się wojskowych i urzędników służby cywilnej do korzystania z systemu GLONASS w życiu codziennym.

W życiu codziennym zwykły kierowca nie powinien w ogóle martwić się wyborem systemu nawigacji. Zarówno GLONASS, jak i zapewniają jakość nawigacji wystarczającą do codziennego użytku. Na północnych terytoriach Rosji i innych krajów położonych na północnych szerokościach geograficznych satelity GLONASS działają wydajniej, ponieważ ich trajektorie podróży znajdują się wyżej nad Ziemią. Oznacza to, że w Arktyce, w krajach skandynawskich, GLONASS jest bardziej skuteczny, a Szwedzi zauważyli to w 2011 roku. W innych regionach GPS jest nieco dokładniejszy w określaniu lokalizacji niż GLONASS. Według rosyjskiego systemu korekcji i monitorowania różnicowego błędy GPS wahały się od 2 do 8 metrów, błędy GLONASS od 4 do 8 metrów. Ale aby GPS mógł określić lokalizację, którą musisz złapać od 6 do 11 satelitów, GLONASS wystarczy na 6-7 satelitów.

Należy również wziąć pod uwagę, że system GPS pojawił się 8 lat wcześniej i objął znaczącą pozycję w latach 90-tych. W ciągu ostatniej dekady GLONASS niemal całkowicie zmniejszył tę lukę, a do 2020 roku twórcy obiecują, że GLONASS w niczym nie będzie gorszy od GPS.

Większość nowoczesnych jest wyposażona w połączony system, który obsługuje zarówno rosyjski system satelitarny, jak i amerykański. To właśnie te urządzenia są najdokładniejsze i charakteryzują się najmniejszym błędem w wyznaczaniu współrzędnych pojazdu. Zwiększa się także stabilność odbieranych sygnałów, ponieważ takie urządzenie może „widzieć” więcej satelitów. Z drugiej strony ceny takich nawigatorów są znacznie wyższe niż ich jednosystemowych odpowiedników. Jest to zrozumiałe - wbudowane są w nie dwa chipy, które mogą odbierać sygnały z każdego rodzaju satelity.

Film: test odbiorników GPS i GPS+GLONASS Redpower CarPad3

Dlatego najbardziej dokładnymi i niezawodnymi nawigatorami są urządzenia dwusystemowe. Jednak ich zalety wiążą się z jedną istotną wadą - kosztem. Dlatego przy wyborze należy się zastanowić - czy tak duża dokładność jest konieczna w codziennym użytkowaniu? Ponadto dla prostego entuzjasty samochodów nie jest bardzo ważne, jakiego systemu nawigacji użyć - rosyjskiego czy amerykańskiego. Ani GPS, ani GLONASS nie pozwolą Ci się zgubić i doprowadzą Cię do wybranego celu.

Wciąż trudno uwierzyć, że w dobie „dzikiego” handlu istnieje całkowicie bezpłatna (o ile istnieją środki techniczne) możliwość określenia swojej lokalizacji w dowolnym miejscu na świecie. To jeden z największych wynalazków XX wieku! Ten wielomiliardowy system (dziś jest ich kilka) powstał przede wszystkim w interesie obronności (i nauki), jednak minęło bardzo mało czasu i niemal każdy człowiek zaczął z niego korzystać na co dzień. Przez nawigator GPS rozumiemy specjalny odbiornik radiowy służący do określania współrzędnych geograficznych aktualnej lokalizacji (pozycjonowania).

Do napisania tego wpisu skłoniła mnie wypowiedź znanego w wąskich kręgach turysty Nawigator Garmina Etrex 30x.
Oto cytat z jego artykułu: "System satelitarny: GPS/GPS+Glonass/tryb demonstracyjny. Czy nie wydaje ci się, że tylko Glonass nie da się włączyć? Więc tego tam nie ma. Instrukcja nic na ten temat nie mówi. Możesz wziąć Garmina w jednej ręce dla zabawy, a w drugim smartfonie z Glonassem otwórz ekran wyświetlacza satelitarnego i spróbuj znaleźć podobne. To jest tylko emulacja, więc nie ma znaczenia, czy zainstalujesz GPS, czy GPS+GLONASS.
Co sądzisz o tym stwierdzeniu? Tylko nie spiesz się, aby sprawdzić od razu. Ponieważ pojawiają się tutaj pojęcia „GPS”, „GLONASS” i „Garmin”, będziemy musieli całkowicie omówić ten temat.

1 - GPS
Pierwszym globalnym systemem pozycjonowania był amerykański system NAVSTAR, którego początki sięgają 1973 roku. Już w 1978 roku wystrzelono pierwszego satelitę, co można uznać za początek ery Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS), a w 1993 roku konstelacja orbitalna składała się z 24 statków kosmicznych (SV), ale dopiero w 2000 roku (po dezaktywacji trybu dostępu selektywnego) rozpoczęło się regularne działanie dla użytkowników cywilnych.
Satelity NAVSTAR znajdują się na wysokości 20 200 km, z nachyleniem 55° (w sześciu płaszczyznach), a okres orbitalny wynosi 11 godzin i 58 minut. GPS wykorzystuje Światowy System Geodezyjny z 1984 r. (WGS-84), który stał się standardowym układem współrzędnych na całym świecie. WSZYSCY nawigatorzy domyślnie określają lokalizację (pokazują współrzędne) w tym systemie.

Konstelacja składa się obecnie z 32 satelitów. Najwcześniejszy w systemie jest z 22 listopada 1993 r., najpóźniejszy (ostatni) to 9 grudnia 2015 r.


()

2 - GLONASS
Krajowy system nawigacji rozpoczął się w 1979 roku od systemu Cicada składającego się z czterech satelitów. System GLONASS został oddany do użytku próbnego w 1993 roku. W 1995 roku rozmieszczono pełną konstelację orbitalną (24 satelity Glonass pierwszej generacji) i rozpoczęto normalną pracę systemu. Od 2004 roku na orbitę wystrzelono nowe satelity Glonass-M, które nadają dwa sygnały cywilne na częstotliwościach L1 i L2.
Satelity GLONASS znajdują się na wysokości 19 400 km przy nachyleniu 64,8° (w trzech płaszczyznach) i czasie obserwacji wynoszącym 11 godzin i 15 minut.

Konstelacja składa się obecnie z 24 satelitów. Najwcześniej w systemie jest z 3 kwietnia 2007, najpóźniejszy (ostatni) to 16 października 2017.


()

Tabela z numerami satelitów GLONASS. Jest numer GLONASS i numer COSMOS. Nasze smartfony mają zupełnie inne numery satelitarne. Od 1 jest to GPS, od 68 - GLONASS.
Co więcej, różnią się one nawet w nawigatorze i smartfonie.

Przyjrzyjmy się teraz programowi Orbitron. Po południu 4 kwietnia 10 satelitów GLONASS „przeleciało” po niebie w Iżewsku.

Lub w innym widoku - na mapie. Znajdują się tam wszystkie dane dotyczące każdego satelity.

Główną różnicą pomiędzy obydwoma systemami jest sygnał i jego struktura.
System GPS wykorzystuje podział kodowy. Standardowy, precyzyjnie kodowany sygnał (kod C/A) nadawany w paśmie L1 (1575,42 MHz). Sygnały modulowane są sekwencjami pseudolosowymi dwóch typów: kodu C/A i kodu P. C/A – kod publicznie dostępny – to PRN o okresie powtarzania 1023 cykli i częstotliwości powtarzania impulsów 1,023 MHz.
W systemie GLONASS podział częstotliwości kanałów. Wszystkie satelity używają tej samej pseudolosowej sekwencji kodu do przesyłania wyraźnych sygnałów, ale każdy satelita nadaje na innej częstotliwości, stosując 15-kanałowy podział częstotliwości. Sygnały radiowe nawigacji z podziałem częstotliwości na dwa pasma: L1 (1,6 GHz) i L2 (1,25 GHz).
Inna jest także struktura sygnału. Aby opisać ruch satelitów na orbicie, stosuje się zasadniczo różne modele matematyczne. W przypadku GPS jest to model w elementach oscylacyjnych. Model ten zakłada, że ​​trajektoria satelity jest podzielona na odcinki, w których ruchy są opisane modelem Keplera, którego parametry zmieniają się w czasie. System GLONASS wykorzystuje różnicowy model ruchu.
A teraz kwestia możliwości kombinacji. Rok 2011 upłynął pod patronatem wsparcia GLONASS. Projektując odbiorniki ważne było przezwyciężenie problemów związanych z niekompatybilnością sprzętowej obsługi GLONASS i GPS. Oznacza to, że sygnał GLONASS z modulacją częstotliwości wymagał szerszego pasma częstotliwości niż sygnały modulacji impulsowo-kodowej wykorzystywane przez GPS, filtry pasmowoprzepustowe z różnymi środkami częstotliwości i przy różnych prędkościach transmisja elementów sygnałowych. Aby oszczędzać energię w nawigatorach, zaleca się włączenie trybu „Tylko GPS”.

3 - Garmina
Amerykański producent przenośnych urządzeń nawigacyjnych zyskał światową sławę przede wszystkim dzięki turystycznym nawigatorom GPS (serie GPSMap, eTrex, Oregon, Montana, Dakota) oraz nawigatorom samochodowym, zegarkom sportowym i echosondom. Siedziba główna znajduje się w Olathe w stanie Kansas. Od 2011 roku firma Garmin rozpoczęła sprzedaż nawigatorów GPSMAP 62stc z możliwością odbioru i przetwarzania sygnałów z satelitów GPS i GLONASS. Informacje o zastosowanych producentach chipów stały się jednak tajemnicą handlową.

Zastosowanie odbiorników dwusystemowych pozwala na poprawę jakości nawigacji w warunkach rzeczywistych, przy czym dwusystemowość nie wpływa na dokładność wyznaczania współrzędnych. Niewystarczający sygnał z satelitów jednego systemu w danym miejscu i czasie jest kompensowany przez satelity innego systemu. Maksymalna liczba „widzialnych” satelitów na niebie w idealnych warunkach: GPS - 13, GLONASS - 10. Z tego powodu większość konwencjonalnych (niegeodezyjnych) odbiorników ma 24 kanały.

Oto wyniki testów z 2016 roku. Dla Twojej informacji NAP-4 i NAP-5 wykorzystują odpowiednio odbiorniki nawigacyjne z zakładów radiowych w Iżewsku MNP-M7 i MNP-M9.1.

Wnioski. Najlepsze wyniki w zakresie dokładności pozycjonowania na trasie eksperymentu wykazały modele NAP-1, NAP-2, NAP-4. Wszystkie NAP mają dokładność pozycjonowania wystarczającą do pewnej nawigacji we wszystkich trybach. Jednocześnie dokładność pozycjonowania w trybie GPS i trybie kombinowanym jest nieco lepsza niż w trybie GLONASS.
Wyniki NAP-3 z oprogramowaniem eksperymentalnym w zakresie dokładności pozycjonowania poziomego we wszystkich trybach są gorsze od wyników tego samego odbiornika z oprogramowaniem standardowym (NAP-2). Nie ma takiej różnicy w dokładności wysokości. Wyjątkiem są duże błędy w trybie kombinowanym, spowodowane jednorazową awarią w działaniu NAP, która doprowadziła do silnych odchyleń.
Wyniki NAP-5 są generalnie gorsze niż NAP-y poprzedniej generacji tego samego producenta (NAP-4). Nastąpiła niewielka poprawa dokładności pozycjonowania poziomego w trybie GLONASS. ()

Antena nawigatora odbiera sygnały satelitarne i przesyła je do odbiornika, który je przetwarza. Chipy do urządzeń nawigacyjnych obsługujących GPS+Glonass produkuje dziś wiele firm: Qualcomm (SiRFatlas V, drol_links Garmin posiada odbiornik STA8088EXG jednej z największych europejskich firm STMicroelectronics.

Wnioski dla użytkowników nawigatorów Garmin:
1. W nawigacjach i zegarkach Garmin (po 2011 r.) pojawiła się możliwość wyboru (włączenia odbioru i przetwarzania sygnału) GPS lub GPS+GLONASS. GLONASS nie jest dostarczany osobno ze względu na to, że jest to Garmin (jak Amerykanie mogą włączyć tylko coś rosyjskiego?)
2. W warunkach idealnych lub zbliżonych do idealnych (step, równina) drugi system nie jest konieczny. W górach, miastach i na północnych szerokościach geograficznych - bardzo pożądane. Ale zużycie energii będzie większe.
3. Skoro producentom smartfonów udało się upchnąć tę funkcję w swoich kompaktowych urządzeniach, to dlaczego Garmin tego nie zrobił?
Powodzenia!

Systemy nawigacji satelitarnej GLONASS i GPS. Część 1

E. Povalyaev, S. Khutornoy

Systemy nawigacji satelitarnej GLONASS i GPS. Część 1

Zwracamy uwagę na cykl artykułów poświęconych satelitarnym systemom radionawigacyjnym Glonass (globalny system nawigacji satelitarnej) i GPS (globalny system pozycjonowania). W pierwszym artykule z serii omówiono budowę i działanie systemów, budowę i funkcje sprzętu konsumenckiego (odbiorników), algorytmy rozwiązywania problemu nawigacyjnego oraz perspektywy rozwoju systemów.

Od czasów starożytnych podróżnicy zastanawiali się: jak określić swoje położenie na Ziemi? Starożytni nawigatorzy kierowali się gwiazdami, wskazującymi kierunek podróży: znając średnią prędkość i czas podróży, można było nawigować w przestrzeni i określić odległość do miejsca docelowego. Jednak warunki pogodowe nie zawsze sprzyjały badaczom, więc nie było trudno zgubić kurs. Wraz z pojawieniem się kompasu zadanie stało się znacznie łatwiejsze. Podróżnik był już mniej zależny od pogody.

Era radia otworzyła przed ludźmi nowe możliwości. Wraz z pojawieniem się stacji radarowych, kiedy stało się możliwe mierzenie parametrów ruchu i względnego położenia obiektu na podstawie wiązki radarowej odbitej od jego powierzchni, pojawiło się pytanie o możliwość pomiaru parametrów ruchu obiektu na podstawie emitowanego sygnału. W 1957 roku w ZSRR grupa naukowców pod przewodnictwem V.A. Kotelnikova eksperymentalnie potwierdziła możliwość wyznaczenia parametrów ruchu sztucznego satelity Ziemi (AES) na podstawie wyników pomiarów przesunięcia częstotliwości Dopplera sygnału emitowanego przez tego satelitę. Ale co najważniejsze, ustalono możliwość rozwiązania problemu odwrotnego - znalezienia współrzędnych odbiornika na podstawie zmierzonego przesunięcia Dopplera sygnału emitowanego z satelity, jeśli znane są parametry ruchu i współrzędne tego satelity. Poruszając się po orbicie, satelita emituje sygnał o określonej częstotliwości, której wartość nominalna jest znana po stronie odbiorczej (odbiorcy). Pozycja satelity w każdym momencie jest dokładniej znana, można ją obliczyć na podstawie informacji zawartych w sygnale satelitarnym. Użytkownik mierząc częstotliwość docierającego do niego sygnału, porównuje ją z sygnałem odniesienia i w ten sposób oblicza przesunięcie częstotliwości Dopplera na skutek ruchu satelity. Pomiary prowadzone są w sposób ciągły, co pozwala skonstruować swego rodzaju funkcję zmiany częstotliwości Dopplera. W pewnym momencie częstotliwość wynosi zero, a następnie zmienia znak. W chwili, gdy częstotliwość Dopplera jest równa zeru, odbiornik znajduje się na linii normalnej do wektora ruchu satelity. Wykorzystując zależność nachylenia krzywej częstotliwości Dopplera od odległości między konsumentem a satelitą i mierząc moment w czasie, gdy częstotliwość Dopplera wynosi zero, można obliczyć współrzędne odbiorcy.

W ten sposób sztuczny satelita Ziemi staje się stacją referencyjną radionawigacji, której współrzędne zmieniają się w czasie pod wpływem ruchu orbitalnego satelity, ale można je wyliczyć z wyprzedzeniem w dowolnym momencie dzięki informacji efemerydnej zawartej w sygnale nawigacyjnym satelity.

W latach 1958–1959 w Akademii Inżynierii Sił Powietrznych w Leningradzie (LVVIA) im. AF Mozhaisky, Instytut Astronomii Teoretycznej Akademii Nauk ZSRR, Instytut Elektromechaniki Akademii Nauk ZSRR, dwa morskie instytuty badawcze oraz Instytut Nauk Fizycznych Gorkiego przeprowadziły badania na temat „Sputnik”, który później stał się podstawą budowy pierwszego krajowego systemu nawigacji satelitarnej na niskiej orbicie „Cykada”. A w 1963 roku rozpoczęto prace nad budową tego systemu. W 1967 roku na orbitę wystrzelono pierwszego krajowego satelitę nawigacyjnego Kosmos-192. Cechą charakterystyczną systemów radionawigacyjnych pierwszej generacji jest wykorzystanie satelitów niskoorbitalnych i wykorzystanie pojedynczego sygnału widocznego w powietrzu do pomiaru parametrów nawigacyjnych obiektu. w tej chwili satelita Następnie satelity systemu „Cykada” zostały wyposażone w sprzęt odbiorczy do wykrywania obiektów znajdujących się w niebezpieczeństwie.

Równolegle, po udanym wystrzeleniu przez ZSRR pierwszego sztucznego satelity Ziemi, w USA, w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, prowadzone są prace związane z możliwością pomiaru parametrów emitowanego sygnału przez satelitę. Na podstawie pomiarów obliczane są parametry ruchu satelity względem naziemnego punktu obserwacyjnego. Rozwiązanie problemu odwrotnego jest kwestią czasu.

Na podstawie tych badań w 1964 roku w USA stworzono system radionawigacji satelitarnej Dopplera pierwszej generacji „Transit”. Jego głównym celem jest wsparcie nawigacyjne przy wystrzeliwaniu rakiet balistycznych Polaris z łodzi podwodnych. Za ojca systemu uważany jest dyrektor Laboratorium Fizyki Stosowanej R. Kershner. System został udostępniony do użytku komercyjnego w 1967 roku. Podobnie jak w systemie Cicada, w systemie Transit współrzędne źródła obliczane są na podstawie przesunięcia częstotliwości Dopplera sygnału z jednego z 7 widocznych satelitów. Systemy satelitarne mają okrągłe orbity polarne z wysokością nad powierzchnią Ziemi ~ 1100 km; okres orbitalny satelitów Transit wynosi 107 minut. Dokładność obliczenia współrzędnych źródła w układach pierwszej generacji w dużej mierze zależy od błędu w określeniu prędkości źródła. Jeśli więc prędkość obiektu zostanie określona z błędem 0,5 m, to z kolei doprowadzi to do błędu w określeniu współrzędnych ~ 500 m Dla obiektu nieruchomego wartość ta zmniejsza się do 50 m.

Ponadto w tych układach nie jest możliwa ciągła praca. Ze względu na to, że systemy te znajdują się na niskiej orbicie, czas przebywania satelity w polu widzenia konsumenta nie przekracza jednej godziny. Ponadto czas między przelotem różnych satelitów w strefie widoczności konsumenta zależy od szerokości geograficznej, na której się on znajduje, i może wynosić od 35 do 90 minut. Skrócenie tego odstępu poprzez zwiększenie liczby satelitów jest niemożliwe, ponieważ wszystkie satelity emitują sygnały na tej samej częstotliwości.

Dlatego satelita systemy nawigacji druga generacja ma wiele istotne niedociągnięcia. Przede wszystkim występuje niewystarczająca dokładność w wyznaczaniu współrzędnych obiektów dynamicznych. Kolejną wadą jest brak ciągłości pomiarów.

Jednym z głównych problemów pojawiających się przy tworzeniu systemów satelitarnych zapewniających definicje nawigacji dla kilku satelitów jest wzajemna synchronizacja sygnałów satelitarnych (skali czasowych) z wymaganą dokładnością. Niedopasowanie oscylatorów odniesienia satelity o 10 ns prowadzi do błędu w określeniu współrzędnych odbiornika wynoszących 10–15 m. Drugim problemem, przed którym stanęli programiści podczas tworzenia systemów nawigacji satelitarnej na wysokich orbitach, było precyzyjne określenie i przewidywanie parametrów orbity satelity. Sprzęt odbiorczy, mierząc opóźnienia sygnałów z różnych satelitów, oblicza współrzędne konsumenta.

W tym celu w 1967 roku Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych opracowała program polegający na wystrzeleniu satelity TIMATION-I, a w 1969 roku satelity TIMATION-II. Na pokładzie tych satelitów zastosowano oscylatory kwarcowe. W tym samym czasie Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych jednocześnie realizowały program wykorzystania szerokopasmowych sygnałów modulowanych w kodzie pseudoszumowym (PRN). Właściwości korelacyjne takiego kodu umożliwiają wykorzystanie jednej częstotliwości sygnału dla wszystkich satelitów, przy kodowej separacji sygnałów z różnych satelitów. Później, w 1973 roku, oba programy zostały połączone w jeden wspólny program o nazwie „Navstar-GPS”. W roku 1996 zakończono wdrażanie systemu. Obecnie dostępnych jest 28 aktywnych satelitów.

W ZSRR testy w locie wysokoorbitalnego systemu nawigacji satelitarnej Glonass rozpoczęły się w 1982 r. wraz z wystrzeleniem satelity Cosmos-1413. Głównym twórcą i twórcą systemu jako całości oraz segmentu kosmicznego jest NPO Applied Mechanics (Krasnojarsk), a w przypadku statków kosmicznych nawigacyjnych – PO Polet (Omsk). Głównym twórcą kompleksów radiotechnicznych jest RNIIKP; Za utworzenie tymczasowego kompleksu, systemu synchronizacji i sprzętu nawigacyjnego dla konsumentów wyznaczono Rosyjski Instytut Radionawigacji i Czasu.

Sieciowy system radionawigacji satelitarnej (RNSS) Glonass

System Glonass przeznaczony jest do globalnej nawigacji operacyjnej obiektów poruszających się na powierzchni. SRNSS został opracowany na zamówienie Ministerstwa Obrony. Ze względu na swoją strukturę Glonass, podobnie jak GPS, jest uważany za system podwójnego działania, to znaczy może być używany zarówno do celów wojskowych, jak i cywilnych.

System jako całość składa się z trzech części funkcjonalnych (w literaturze fachowej części te nazywane są segmentami) (rys. 1).

Rysunek 1. Segmenty systemów nawigacji wysokoorbitalnej Glonass i GPS

• segment kosmiczny, który obejmuje konstelację orbitalną sztucznych satelitów Ziemi (innymi słowy statek kosmiczny nawigacyjny);
• segment kontrolny, kompleks kontroli naziemnej (GCU) dla konstelacji orbitalnej statku kosmicznego;
• sprzęt użytkownika systemu.

Z tych trzech części najliczniejsza jest ostatnia, czyli wyposażenie użytkownika. System Glonass jest systemem bezżądnym, więc liczba użytkowników systemu nie ma znaczenia. Oprócz głównej funkcji - definicji nawigacji - system pozwala na bardzo precyzyjną wzajemną synchronizację standardów częstotliwości i czasu na odległych obiektach naziemnych oraz wzajemne odniesienie geodezyjne. Dodatkowo można go wykorzystać do określenia orientacji obiektu na podstawie pomiarów dokonanych z czterech odbiorników sygnałów nawigacji satelitarnej.

W systemie Glonass jako stację referencyjną radionawigacji służą statki nawigacyjne (NSV) obracające się po kołowej orbicie geostacjonarnej na wysokości ~19 100 km (rys. 2). Okres obiegu satelity wokół Ziemi wynosi średnio 11 godzin i 45 minut. Czas pracy satelity wynosi 5 lat, w tym czasie parametry jego orbity nie powinny odbiegać od wartości nominalnych o więcej niż 5%. Sam satelita to hermetyczny pojemnik o średnicy 1,35 m i długości 7,84 m, wewnątrz którego umieszcza się różnego rodzaju sprzęt. Wszystkie systemy zasilane są panelami słonecznymi. Całkowita masa satelity wynosi 1415 kg. Wyposażenie pokładowe obejmuje: pokładowy nadajnik nawigacyjny, chronizer (zegar), pokładowy kompleks kontrolny, system orientacji i stabilizacji i tak dalej.

Rysunek 2. Segment kosmiczny systemów GLONASS i GPS

Rysunek 3. Segment naziemnego kompleksu kontroli systemu Glonass

Rysunek 4. Segment kompleksu kontroli naziemnej Systemy GPS

Złożony segment kontroli naziemnej systemu GLONASS spełnia następujące funkcje:

• efemerydy i wsparcie czasowo-częstotliwościowe;
• monitorowanie pola radionawigacyjnego;
• monitoring radiotelemetryczny satelitów;
• dowodzenie i programowanie radiowego sterowania satelitą.

Aby zsynchronizować skale czasu różnych satelitów z wymaganą dokładnością, na pokładzie satelity stosowane są cezowe wzorce częstotliwości o względnej niestabilności rzędu 10-13. Kompleks kontroli naziemnej wykorzystuje standard wodoru o względnej niestabilności 10-14. Ponadto NKU zawiera środki do korygowania satelitarnych skal czasu w stosunku do skali referencyjnej z błędem 3–5 ns.

Segment naziemny zapewnia wsparcie efemeryd dla satelitów. Oznacza to, że parametry ruchu satelity wyznaczane są na ziemi i prognozowane są wartości tych parametrów na zadany okres czasu. Parametry i ich prognoza zawarte są w komunikacie nawigacyjnym przesyłanym przez satelitę wraz z transmisją sygnału nawigacyjnego. Obejmuje to również poprawki czasowo-częstotliwościowe pokładowej skali czasu satelity w stosunku do czasu systemowego. Pomiar i prognoza parametrów ruchu satelity odbywa się w Centrum Balistycznym systemu w oparciu o wyniki pomiarów trajektorii odległości do satelity i jego prędkości radialnej.

Sieciowy system nawigacji satelitarnej GPS

Amerykański system GPS na swój sposób funkcjonalność podobny do krajowego systemu Glonass. Jego głównym celem jest bardzo precyzyjne określenie współrzędnych odbiornika, składowych wektora prędkości i powiązanie ze skalą czasu systemu. Podobnie jak krajowy, system GPS został opracowany dla Departamentu Obrony USA i znajduje się pod jego kontrolą. Zgodnie z dokumentem kontroli interfejsu głównymi twórcami systemu są:

• dla segmentu kosmicznego – Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
• w segmencie zarządczym – IBM, Federal System Company;
• według segmentu konsumenckiego – Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Podobnie jak system Glonass, GPS składa się z segmentu kosmicznego, naziemnego kompleksu dowodzenia i pomiarów oraz segmentu konsumenckiego.

Jak wspomniano powyżej, konstelacja orbitalna GPS składa się z 28 statków kosmicznych nawigacyjnych. Wszystkie krążą po orbitach kołowych, a okres obiegu wokół Ziemi wynosi 12 godzin. Wysokość orbity każdego satelity wynosi ~20 000 km. Satelity systemu GPS przeszły szereg ulepszeń, które wpłynęły na ich ogólną wydajność. W tabeli 1 przedstawia krótką charakterystykę statku kosmicznego użytego w systemie.

Tabela 1. Charakterystyka statku kosmicznego wykorzystywanego w systemie GPS

Typ satelity	Masa na orbicie	Moc źródeł energii, W	Szacowany okres czynnej egzystencji	Rok wystrzelenia pierwszego satelity
Blok-I	525	440	-	1978
Blok II	844	710	5	1989
Blok-IIR	1094	1250	7,5	1997
Blok-IIF	-	-	14–15	2001–2002

Tabela 2. Charakterystyka porównawcza systemów GLONASS i GPS

Wskaźnik	GLONASS	GPS
Liczba statków kosmicznych w pełnej konstelacji orbitalnej	24	24
Liczba płaszczyzn orbitalnych	3	6
Liczba statków kosmicznych w każdym samolocie	8	4
Nachylenie orbity	64,8°	55°
Wysokość orbity, km	19 130	20 180
Okres orbitowania satelity	11 godzin 15 minut 44 s	11 godzin 58 minut 00 s
Układ współrzędnych	PZ-90	WGS-84
Masa statku kosmicznego nawigacyjnego, kg	1450	1055
Moc panelu słonecznego, W	1250	450
Czas trwania aktywnego istnienia, lata	3	7,5
Środki do wystrzeliwania statku kosmicznego na orbitę	„Proton-K/DM”	Delta 2
Liczba statków kosmicznych wystrzelonych podczas jednego startu	3	1
Kosmodrom	Bajkonur (Kazachstan)	Przylądek Canaveral
Czas referencyjny	UTC(SU)	UTC(NIE)
Metoda dostępu	FDMA	CDMA
Częstotliwość nośna: L1 L2	1598,0625-1604,25 7/9 L1	1575,42 60/77 L1
Polaryzacja	Praworęczny	Praworęczny
Typ sekwencji pseudoszumów	sekwencja m	Złoty kod
Liczba elementów kodu: C/A P	511 51 1000	1023 2,35x1014
Szybkość kodowania, Mbit/s: C/A P	0,511 5,11	1,023 10,23
Poziom wewnątrzsystemowych zakłóceń radiowych, dB	-48	-21,6
Struktura komunikatu nawigacyjnego
Szybkość transmisji, bit/s	50	50
Typ modulacji	BPSK (Manchester)	BPSK NRZ
Długość superramki, min.	2,5 (5 klatek)	12,5 (25 klatek)
Długość ramy, s	30 (15 linii)	30 (5 linii)
Długość linii, s	2	6

Projektując system w ogóle, a satelity w szczególności, dużą uwagę poświęca się zagadnieniom autonomicznego działania. Tym samym statek kosmiczny pierwszej generacji (Blok-I) zapewnił normalną pracę systemu (czyli bez znaczących błędów w wyznaczaniu współrzędnych) bez interwencji segmentu kontrolnego przez 3–4 dni. W urządzeniach Block-II okres ten wydłużono do 14 dni. W nowej modyfikacji NKA Block-IIR umożliwia autonomiczną pracę przez 180 dni bez dostosowywania parametrów orbitalnych z ziemi, wykorzystując jedynie autonomiczny kompleks do wzajemnej synchronizacji satelitów. Urządzenia Block-IIF są przeznaczone do zastąpienia zużytych urządzeń Block-IIR.

Struktura sygnałów radiowych nawigacyjnych systemu Glonass

System Glonass wykorzystuje sygnały z podziałem częstotliwości MA (FDMA) emitowane przez każdego satelitę – dwa sygnały z kluczem z przesunięciem fazowym. Częstotliwość pierwszego sygnału mieści się w przedziale L1 ~ 1600 MHz, a częstotliwość drugiego sygnału mieści się w przedziale L2 ~ 1250 MHz. Nominalne wartości częstotliwości roboczych sygnałów radiowych transmitowanych w pasmach L1 i L2 określa się za pomocą wyrażenia:

fa k1 = fa 1 + kD fa 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)

gdzie k = 0,1,...,24 - numery liter (kanałów) satelitarnych częstotliwości roboczych;

f1 = 1602 MHz; re f 1 = 9/16 = 0,5625 MHz;
f2 = 1246 MHz; re f 2 = 7/16 = 0,4375 MHz.

Dla każdego satelity częstotliwości robocze sygnałów w zakresach L1 i L2 są spójne i utworzone są z jednego standardu częstotliwości. Stosunek częstotliwości nośnych każdego satelity wynosi:

re fa k1 / re fa k2 = 7/9.

Nominalna wartość częstotliwości generatora pokładowego z punktu widzenia obserwatora znajdującego się na powierzchni Ziemi wynosi 5,0 MHz.

W zakresie L1 każdy satelita systemu Glonass emituje 2 nośne na tej samej częstotliwości, przesunięte względem siebie w fazie o 90° (ryc. 5).

Rysunek 5. Schemat wektorowy sygnałów nośnych systemów GLONASS i GPS

Jedna z nośnych podlega kluczowaniu z przesunięciem fazowym o 180°. Sygnał modulujący uzyskuje się poprzez dodanie modulo 2 trzech sygnałów binarnych (rys. 6):

• przybliżony kod dalmierza przesyłany z szybkością 511 Kbit/s (rys. 6c);
• sekwencje danych nawigacyjnych przesyłanych z szybkością 50 bitów/s (rys. 6a);
• oscylacje meandrowe transmitowane z szybkością 100 bitów/s (rys. 6b).

Rysunek 6. Struktura sygnału GLONASS

Sygnał w zakresie L1 (podobnym do kodu C/A w GPS) jest dostępny dla wszystkich konsumentów w zasięgu widoczności statku kosmicznego. Sygnał w paśmie L2 przeznaczony jest do celów wojskowych, a jego budowa nie jest ujawniona.

Skład i struktura komunikatów nawigacyjnych z satelitów systemu Glonass

Komunikat nawigacyjny tworzony jest w formie następujących po sobie linii, każda trwająca 2 sekundy. Pierwsza część linii (odstęp 1,7 s) zawiera dane nawigacyjne, a druga (0,3 s) zawiera znacznik czasu. Jest to skrócona sekwencja pseudolosowa składająca się z 30 znaków o częstotliwości taktowania 100 bps.

Komunikaty nawigacyjne z satelitów systemu Glonass są potrzebne konsumentom do ustalania celów nawigacyjnych i planowania sesji komunikacyjnych z satelitami. Komunikaty nawigacyjne, ze względu na ich treść, dzielą się na informacje operacyjne i nieoperacyjne.

Informacja operacyjna odnosi się do satelity, z którego sygnał został odebrany. Informacje operacyjne obejmują:

• digitalizacja znaczników czasu;
• względna różnica między częstotliwością nośnej satelity a wartością nominalną;
• informacje o efemerydach.

Czas informacji efemeryd oraz poprawki czasowo-częstotliwościowe, które mają krotność półgodzinną od początku dnia, pozwalają na dokładne określenie współrzędne geograficzne i prędkość satelity.

Informacje nieoperacyjne zawierają almanach, w tym:

• dane o stanie wszystkich satelitów w systemie;
• przesunięcie skali czasu satelitarnego względem skali systemu;
• parametry orbitalne wszystkich satelitów w systemie;
• korekta skali czasu systemu Glonass.

Wybór optymalnej „konstelacji” statku kosmicznego i prognoza przesunięcia Dopplera częstotliwości nośnej zapewnia analiza almanachu systemu.

Komunikaty nawigacyjne z satelitów systemu Glonass mają strukturę superramek trwających 2,5 minuty. Superramka składa się z pięciu klatek trwających 30 sekund. Każda ramka zawiera 15 linii o czasie trwania 2 s. Z czasu trwania linii wynoszącego 2 s ostatnie 0,3 s jest zajęte przez znacznik czasu. Pozostała część wiersza zawiera 85 znaków informacji cyfrowej transmitowanej z częstotliwością 50 Hz.

Każda ramka zawiera pełną ilość informacji operacyjnych oraz część almanachu systemu. Kompletny almanach jest zawarty w całej superramce. W tym przypadku informacja superramki zawarta w liniach 1–4 odnosi się do satelity, z którego pochodzi (część operacyjna) i nie ulega zmianie w obrębie superramki.

Struktura sygnałów radiowych nawigacyjnych systemu GPS

System GPS wykorzystuje podział kodowy MA (CDMA), dzięki czemu wszystkie satelity emitują sygnały na tej samej częstotliwości. Każdy satelita GPS emituje dwa sygnały z kluczem z przesunięciem fazowym. Częstotliwość pierwszego sygnału wynosi L1 = 1575,42 MHz, a drugiego L2 = 1227,6 MHz. Sygnał częstotliwości nośnej L1 jest modulowany przez dwie sekwencje binarne, z których każda jest utworzona przez zsumowanie modulo 2 kodu dalmierza oraz przesyłanych danych systemowych i nawigacyjnych, generowanych z szybkością 50 bitów/s. Na częstotliwości L1 transmitowane są dwie składowe kwadraturowe, manipulowane dwufazowo za pomocą sekwencji binarnych. Pierwsza sekwencja jest sumą modulo 2 dokładnego kodu dalmierza P lub kodu niejawnego Y i danych nawigacyjnych. Druga sekwencja jest także sumą modulo 2 przybliżonego kodu C/A (otwartego) i tej samej sekwencji danych nawigacyjnych.

Sygnał radiowy L2 jest manipulowany dwufazowo tylko przez jedną z dwóch wcześniej omówionych sekwencji. Wybór sekwencji modulującej odbywa się na polecenie z Ziemi.

Każdy satelita wykorzystuje unikalne dla siebie kody dalmierza C/A i P(Y), które umożliwiają separację sygnałów satelitarnych. W procesie tworzenia dokładnego kodu P(Y) odległości tworzone są jednocześnie znaczniki czasu sygnału satelitarnego.

Skład i struktura komunikatów nawigacyjnych z satelitów GPS

Strukturalny podział informacji nawigacyjnych z satelitów GPS odbywa się na superramki, ramki, podramki i słowa. Superramka tworzona jest z 25 klatek i trwa 750 s (12,5 min). Jedna ramka jest przesyłana w ciągu 30 sekund i ma rozmiar 1500 bitów. Ramka jest podzielona na 5 podramek po 300 bitów każda i jest przesyłana w odstępie 6 s. Początek każdej podramki oznacza znacznik czasu odpowiadający początkowi/końcowi następnego 6-sekundowego przedziału czasu systemu GPS. Podramka składa się z 10 30-bitowych słów. W każdym słowie 6 najmniej znaczących bitów to bity kontrolne.

W pierwszej, drugiej i trzeciej podramce transmitowane są dane dotyczące parametrów korekcji zegara oraz dane efemeryd statku kosmicznego, z którym nawiązana jest komunikacja. Zawartość i struktura tych podramek pozostaje taka sama na wszystkich stronach superramki. Podramki 4 i 5 zawierają informacje o konfiguracji i stanie wszystkich statków kosmicznych w systemie, almanachy statków kosmicznych, specjalne komunikaty, parametry opisujące związek czasu GPS z UTC itp.

Algorytmy odbioru i pomiaru parametrów sygnałów radionawigacyjnych satelitarnych

Segment konsumencki systemów GPS i GLONASS obejmuje odbiorniki sygnału satelitarnego. Mierząc parametry tych sygnałów, problem nawigacji zostaje rozwiązany. Odbiornik można podzielić na trzy funkcjonalne części:

• część radiowa;
• korelator cyfrowy;
• Procesor.

Z wyjścia urządzenia zasilającego antenę (anteny) sygnał trafia do części o częstotliwości radiowej (ryc. 7). Głównym zadaniem tej części jest wzmocnienie sygnału wejściowego, filtracja, konwersja częstotliwości i konwersja analogowo-cyfrowa. Ponadto częstotliwość zegara cyfrowej części odbiornika pochodzi z części radiowej odbiornika. Z wyjścia części o częstotliwości radiowej cyfrowe próbki sygnału wejściowego są podawane na wejście cyfrowego korelatora.

Rysunek 7. Uogólniona struktura odbiornika

W korelatorze widmo sygnału jest przenoszone na częstotliwość „zerową”. Odbywa się to poprzez pomnożenie sygnału wejściowego korelatora przez referencyjne oscylacje harmoniczne w kanałach jednofazowych i kwadraturowych. Następnie wynik mnożenia poddawany jest obróbce korelacyjnej polegającej na mnożeniu przez referencyjny kod dalmierza i kumulowaniu przez okres obowiązywania kodu dalmierza. W efekcie otrzymujemy całki korelacji I i Q. Odczyty całek korelacji przesyłane są do procesora w celu dalszego przetwarzania i zamykania pętli PLL (pętla synchronizacji fazowej) i DLL (obwód śledzenia opóźnienia). Pomiarów parametrów sygnału w odbiorniku dokonuje się nie bezpośrednio z sygnału wejściowego, lecz z jego dokładnej kopii wygenerowanej przez układ fazowy i CVD. Całki korelacji I i Q pozwalają ocenić stopień „podobieństwa” (korelacji) sygnałów odniesienia i wejściowych. Zadaniem korelatora, oprócz formowania całek I i Q, jest formowanie sygnału odniesienia zgodnie z działaniami sterującymi (kodami sterującymi) pochodzącymi z procesora. Dodatkowo w niektórych odbiornikach korelator generuje niezbędne pomiary sygnałów odniesienia i przekazuje je do procesora w celu dalszego przetwarzania. Jednocześnie, ponieważ sygnały odniesienia w korelatorze tworzone są za pomocą kodów sterujących pochodzących z procesora, niezbędnych pomiarów sygnałów odniesienia można dokonać bezpośrednio w procesorze, odpowiednio przetwarzając kody sterujące, co ma miejsce w wielu nowoczesne odbiorniki.

Jakie parametry sygnału mierzą korelator (procesor)?

Zasięg w pomiarach radiotechnicznych charakteryzuje się czasem propagacji sygnału od obiektu pomiarowego do punktu pomiarowego. W systemach nawigacji GPS/GLONASS emisja sygnałów synchronizowana jest ze skalą czasu systemu, a dokładniej ze skalą czasu satelity emitującego ten sygnał. Jednocześnie konsument ma informację o rozbieżności pomiędzy skalą czasową satelity i systemu. Informacja cyfrowa przekazywana z satelity umożliwia ustalenie momentu emisji określonego fragmentu sygnału (znacznika czasu) przez satelitę w czasie systemowym. Moment otrzymania tego fragmentu wyznacza skala czasu odbiorcy. Skala czasu odbiornika (odbiorcy) tworzona jest przy użyciu kwarcowych wzorców częstotliwości, zatem występuje stałe „przesunięcie” skali czasu odbiornika względem skali czasu systemu. Różnica pomiędzy momentem odbioru fragmentu sygnału, mierzonym w skali czasu odbiornika, a momentem emisji przez jego satelitę, mierzonym w skali satelity, pomnożonym przez prędkość światła, nazywa się pseudoodległością. Dlaczego pseudorange? Ponieważ różni się od rzeczywistego zasięgu o wielkość równą iloczynowi prędkości światła i „przesunięcia” skali czasu odbiornika względem skali czasu systemu. Podczas rozwiązywania problemu nawigacyjnego parametr ten jest określany wraz ze współrzędnymi konsumenta (odbiorcy).

Całki korelacyjne utworzone w korelatorze umożliwiają śledzenie modulacji sygnału satelitarnego za pomocą symboli informacyjnych i obliczanie znacznika czasu w sygnale wejściowym. Znaczniki czasu pojawiają się w odstępach 6 s dla GPS i 2 s dla GLONASS i tworzą rodzaj skali 6 (2) sekund. W obrębie jednej części tej skali okresy kodu dalmierza tworzą skalę 1 ms. Jedna milisekunda podzielona jest z kolei na poszczególne elementy (chipy, w terminologii GPS): dla GPS - 1023, dla GLONASS - 511. Tym samym elementy kodu dalmierza umożliwiają określenie odległości do satelity z błędem ~ 300 m. Dla dokładniejszego określenia konieczna jest znajomość fazy generatora kodu dalmierza. Układy do budowy oscylatorów odniesienia korelatora umożliwiają wyznaczenie jego fazy z dokładnością do 0,01 okresu, co stanowi dokładność wyznaczania pseudoodległości do 3 m.

Na podstawie pomiarów parametrów referencyjnych oscylacji harmonicznych generowanych przez układ synchronizacji fazowej wyznaczana jest częstotliwość i faza oscylacji nośnej satelity. Jego odejście od wartości nominalnej da przesunięcie częstotliwości Dopplera, które służy do oszacowania prędkości konsumenta względem satelity. Ponadto pomiary fazy nośnej umożliwiają wyjaśnienie zasięgu do satelity z błędem kilku mm.

Aby określić współrzędne konsumenta, należy znać współrzędne satelitów (co najmniej 4) i odległość konsumenta od każdego widocznego satelity. Aby konsument mógł określić współrzędne satelitów, emitowane przez nie sygnały nawigacyjne modelowane są za pomocą komunikatów o parametrach ich ruchu. W sprzęcie konsumenckim komunikaty te są izolowane, a współrzędne satelitów określane są w żądanym momencie.

Współrzędne i składowe wektora prędkości zmieniają się bardzo szybko, więc komunikaty o parametrach ruchu satelitów zawierają informację nie o ich współrzędnych i składowych wektora prędkości, ale informację o parametrach jakiegoś modelu przybliżającego trajektorię statku kosmicznego w dość dużym odstępie czasu (około 30 minut). Parametry modelu aproksymującego zmieniają się dość wolno i można je uznać za stałe w przedziale aproksymacji.

Parametry modelu aproksymacyjnego zawarte są w komunikatach nawigacji satelitarnej. System GPS wykorzystuje model ruchu Keplera z elementami oscylującymi. W tym przypadku trajektoria lotu statku kosmicznego jest dzielona na odcinki przybliżające trwające jedną godzinę. W środku każdej sekcji ustawiony jest punkt węzłowy, którego wartość jest przekazywana odbiorcy informacji nawigacyjnych. Dodatkowo konsument jest informowany o parametrach modelu elementów oscylacyjnych w punkcie węzłowym w czasie, a także o parametrach funkcji aproksymujących zmiany parametrów modelu elementów oscylacyjnych w czasie zarówno poprzedzającym moment element węzłowy i podążanie za nim.

W sprzęcie konsumenckim przydzielany jest odstęp czasu pomiędzy momentem, w którym konieczne jest określenie pozycji satelity, a momentem węzłowym. Następnie, korzystając z funkcji aproksymujących i ich parametrów wyodrębnionych z komunikatu nawigacyjnego, w żądanym momencie obliczane są wartości parametrów modelu elementów oscylacyjnych. W ostatnim etapie, korzystając ze zwykłych wzorów modelu Keplera, wyznaczane są współrzędne i składowe wektora prędkości satelity.

System Glonass wykorzystuje różnicowe modele ruchu do określenia dokładnej pozycji satelity. W modelach tych współrzędne i składowe wektora prędkości satelity wyznaczane są poprzez całkowanie numeryczne równań różniczkowych ruchu statku kosmicznego, z uwzględnieniem skończonej liczby sił działających na statek kosmiczny. Początkowe warunki całkowania wyznaczane są w punkcie węzłowym czasu, położonym w środku przedziału aproksymacji.

Jak wspomniano powyżej, aby określić współrzędne konsumenta, należy znać współrzędne satelitów (co najmniej 4) oraz odległość konsumenta od każdego widocznego satelity, która jest określana w odbiorniku nawigacyjnym z dokładnością do około 1 m. Dla wygody rozważmy najprostszy „płaski” przypadek pokazany na ryc. . 8.

Rysunek 8. Wyznaczanie współrzędnych konsumentów

Każdy satelita (ryc. 8) może być przedstawiony jako emiter punktowy. W tym przypadku przód fali elektromagnetycznej będzie kulisty. Punktem przecięcia obu sfer będzie ten, w którym znajduje się konsument.

Wysokość orbit satelitów wynosi około 20 000 km. W rezultacie drugi punkt przecięcia okręgów można odrzucić ze względu na informację aprioryczną, ponieważ znajduje się on daleko w przestrzeni.

Tryb różnicowy

Systemy nawigacji satelitarnej pozwalają konsumentowi uzyskać współrzędne z dokładnością do około 10–15 m. Jednak w przypadku wielu zadań, zwłaszcza nawigacji w miastach, wymagana jest większa dokładność. Jedna z głównych metod zwiększania dokładności wyznaczania lokalizacji obiektu opiera się na wykorzystaniu dobrze znanej w radionawigacji zasady różnicowych pomiarów nawigacyjnych.

Tryb różnicowy DGPS (Differential GPS) umożliwia wyznaczanie współrzędnych z dokładnością do 3 m w sytuacji nawigacji dynamicznej i do 1 m w warunkach stacjonarnych. Tryb różnicowy realizowany jest za pomocą odbiornika sterującego GPS zwanego stacją referencyjną. Znajduje się w punkcie o znanych współrzędnych, w tym samym obszarze co główny odbiornik GPS. Porównując znane współrzędne (uzyskane w wyniku precyzyjnych pomiarów geodezyjnych) ze zmierzonymi, stacja referencyjna wylicza poprawki, które w zadanym formacie przesyłane są do odbiorców kanałem radiowym.

Sprzęt konsumencki otrzymuje poprawki różnicowe ze stacji referencyjnej i uwzględnia je przy określaniu lokalizacji odbiorcy.

Wyniki uzyskane metodą różnicową w dużej mierze zależą od odległości obiektu od stacji referencyjnej. Zastosowanie tej metody jest najskuteczniejsze, gdy przeważają błędy systematyczne spowodowane przyczynami zewnętrznymi (w stosunku do odbiorcy). Według danych eksperymentalnych zaleca się lokalizację stacji referencyjnej nie dalej niż 500 km od obiektu.

Obecnie istnieje wiele rozległych, regionalnych i lokalnych systemów różnicowych.

Z systemów rozległych warto wymienić takie systemy jak amerykański WAAS, europejski EGNOS i japoński MSAS. Systemy te wykorzystują satelity geostacjonarne do przesyłania poprawek do wszystkich odbiorców na swoim obszarze zasięgu.

Systemy regionalne mają na celu zapewnienie wsparcia nawigacyjnego dla poszczególnych obszarów powierzchni Ziemi. Zazwyczaj systemy regionalne stosowane są w dużych miastach, na szlakach komunikacyjnych i rzekach żeglownych, w portach oraz wzdłuż wybrzeży mórz i oceanów. Średnica strefy roboczej systemu regionalnego zwykle waha się od 500 do 2000 km. Może obejmować jedną lub więcej stacji referencyjnych.

Systemy lokalne mają maksymalny zasięg od 50 do 220 km. Zwykle obejmują jedną stację bazową. Systemy lokalne dzieli się najczęściej ze względu na sposób ich zastosowania: morskie, lotnicze i geodezyjne lokalne stacje różnicowe.

Rozwój nawigacji satelitarnej

Ogólny kierunek modernizacji systemów satelitarnych GPS i Glonass wiąże się ze zwiększeniem dokładności definicji nawigacji, poprawą jakości usług świadczonych użytkownikom, zwiększeniem żywotności i niezawodności pokładowych urządzeń satelitarnych, poprawą kompatybilności z innymi systemami radiowymi oraz rozwój podsystemów różnicowych. Ogólny kierunek rozwoju systemów GPS i Glonass jest zbieżny, jednak dynamika i osiągane wyniki są bardzo różne.

Planowane jest doskonalenie systemu GLONASS w oparciu o satelity GLONASS-M nowej generacji. Satelita ten będzie miał zwiększone zasoby usług i będzie emitował sygnał nawigacyjny w paśmie L2 do zastosowań cywilnych.

Podobną decyzję podjęto w USA, gdzie 5 stycznia 1999 roku ogłoszono, że na modernizację systemu GPS związanego z transmisją kodu C/A na częstotliwości L2 (1222,7 MHz) zostanie przeznaczone 400 mln dolarów oraz wprowadzenie trzeciej nośnej L3 (1176,45 MHz) na statkach kosmicznych, które będą wystrzeliwane od 2005 roku. Sygnał o częstotliwości L2 przeznaczony jest do wykorzystania potrzeby obywatelskie niezwiązane bezpośrednio z zagrożeniem życia ludzkiego. Proponuje się rozpoczęcie wdrażania tej decyzji w 2003 r. Zdecydowano o wykorzystaniu trzeciego sygnału cywilnego na częstotliwości L3 dla potrzeb lotnictwa cywilnego.

Literatura

1. Systemy inżynierii radiowej. wyd. Kazarinova Yu.M. M.: Szkoła Podyplomowa, 1990.
2. Sołowiew Yu.A. Systemy nawigacji satelitarnej. M.: Ekotrendy, 2000.
3. Globalny system nawigacji satelitarnej GLONASS / wyd. V.N. Kharisova, A.I. Perova, V.A. Pogrubienie. M.: IPRZHR, 1998.
4. Lipkin I.A. Systemy nawigacji satelitarnej. M.: Księga Uniwersytecka, 2001.
5. Globalny system nawigacji satelitarnej GLONASS. Dokument kontroli interfejsu. M.: DZIANINY VKS, 1995.
6. Dokument kontroli interfejsu: NAVSTAR GPS segmentu kosmicznego / interfejsy użytkownika nawigacji (ICD-GPS-200). Firma Rockwell International Korporacja 1987.

---