Глобальная система позиционирования

Как упоминалось выше, одним из методов, используемых автомобильными навигационными системами, является метод радионавигации с помощью СРНР GPS NAVSTAR. Глобальная Система Позиционирования GPS (Global Positioning System).

GPS представляет собой совокупность трех сегментов:

- космический сегмент (набор искусственных спутников Земли, расположенных в околоземной орбите);

- сегмент управления (станция управления и станции слежения, расположенных на Земле);

- пользовательский сегмент (аппаратура потребителей).

GPS базируется на спутниковой системе NAVSTAR. Предназначение GPS – определение координат точек объектов, расположенных на суше, море, вблизи поверхности Земли и в ближнем космосе.

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно покрывающих всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с высокой точностью, что дает возможность в любой момент времени получить координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой подлежат определению.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ к приемнику и вычисляется дальность “спутник-приемник”. Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту Z), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Этот метод навигации носит название беззапросного метода. При его использовании точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Для этого в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Фактически в измерениях времени всегда присутствует ошибка, возникающая из-за несовпадения шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности к спутнику или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и Z , но и поправка часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников.

В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и Z) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. GPS система дает возможность в любой точке Земли наблюдать от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Рис. 1.3.1.4 Расположение наземных станций управления GPS системы

Сегмент управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн (Рис. 1.3.1.4). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Космический сегмент Состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток.

Дифференциальная GPS

При полном исчерпание технического потенциала NAVSTAR-GPS при использовании одного автономно работающего приемника GPS точность позиционирования с учетом искусственных факторов влияющих на ограничение точности последняя может быть достигнута в пределах 100 м. Для решения задач ориентирования такой точности не достаточно. Увеличение ее возможно посредством применения одного из радионавигационных способов. Он заключается в следующем. Положение опорной станции известно с высокой точностью. Из получаемых данных на опорной станции по мере их поступления идет постоянное вычисление координат(местоположения) этой станции. Из разницы между существующими координатами и вычисленными в каждый момент наблюдения определяется величина корректного значения. Под условием, что наблюдения, производимые на станциях, находящихся вблизи опорной станции, в равной степени как и измерения выполненные на самой опорной станции, подвержены подобным ошибкам. Ошибки на всех станциях могут быть редуцированы посредством добавления к ним корректурной величины, вычисленной на опорной станции(Рис. 1.3.1.1.1). Применяемый метод носит название дифференциального метода GPS или DGPS (Differential Global Positioning System). Применение этого метода дает более точное определение местоположения.

Рис. 1.3.1.1.1 Принцип действия приемника DGPS.

Из Рис. 1.3.1.1.1 станция управления (Base Station) и мобильная станция (Mobile Unit) для определения своего местоположения используют один и тот же набор спутников (GPS Satellites). На станции управления по известным и полученным координатам ее местоположения определяется величина коррекционного значения, которая пересылается на мобильную станцию. На Рис. 1.3.1.1.1 с мобильной станции на станцию управления передаются данные о местоположении транспортного средства, а со станции управления на движущееся транспортное средство передаются коррекционные значения местоположения мобильной станции.