Инерциальная навигационная система

Цены

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на том, что скорость распространения радиоволн предполагается известной (на самом деле этот вопрос крайне сложный, на скорость влияет множество слабопредсказуемых факторов, таких как характеристики ионосферного слоя и пр.). Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

Loran-C

Когда использование ГНСС стало обрастать рисками, тема создания чего-то альтернативного стала источником длительных обсуждений в APNT-сообществе, в котором пока еще нет общего согласия по нескольким направлениям, гарантирующим надежность, целостность/достоверность и точность (синхронизации или позиционирования). Но в целом общее направление движения уже понятно, и это модернизация системы Loran-C.

Упомянутая выше система Loran в своем развитии прошла несколько стадий развития. В частности, система Loran-C — первоначально была разработана для предоставления военным пользователям радионавигационных служб США с большей степенью покрытия и точности, чем ее предшественник (система Loran-А).

Loran-C была введена в эксплуатацию для гражданского применения в 1957 году. Система использовала радиосигналы от 24 вышек на берегу, управляемые Береговой Охраной США, для позиционирования в море и в воздухе. В дальнейшем она была выбрана для использования в качестве радионавигационной системы гражданским флотом.

Радионавигационная система (РНС) Loran-C (отечественный аналог — «Чайка») относится к разностно-дальномерным РНС с синхронизацией моментов излучения и фазы импульсных сигналов, излучаемых наземными передающими станциями. Станции располагаются цепочками по 3-5 станций, которые осуществляют передачу сигналов на одной и той же частоте с одинаковым для группы периодом повторения, некоторые станции работают одновременно в двух цепях на двух периодах повторения. Каждая цепь РНС состоит из одной ведущей и ведомых станций, работающих с одинаковым, только этой цепи присвоенным периодом повторения серий импульсов.

Этот период повторения служит отличительным признаком цепи. Сигнал станции содержит серию из 8 импульсов, следующих через 1 мс. Ведущая станция дополнительно излучает 9-й импульс. Ведомые станции излучают сигналы с различной задержкой – с определенным запаздыванием относительно сигналов ведущей. Задержка излучения служит отличительным признаком пары.

Для одновременного измерения не менее 2-х разностей расстояний система работает по принципу синхронизированного излучения сигналов (пачек импульсов) ведущей и ведомыми станциями на одной несущей частоте 100 кГц и общей для них частоте повторения. Излучение сигналов станциями производится с таким сдвигом по времени, чтобы в любой точке зоны действия системы обеспечивалось временное разделение сигналов. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы любая из ведомых станций начинала излучение своих сигналов после прихода на эту станцию последнего импульса предыдущей (по очереди работы) ведомой станции с учетом задержки этого импульса за счет его многократного отражения от ионосферы. Ведущая станция синхронизирует своими сигналами (как по огибающей импульса, так и по высокочастотному заполнению) работу ведомых станций.

Дальность действия системы Loran-C на суше и на море 1400-1800 и 1800-2000 км соответственно. Мощность излучения передающих станций — 200…1000 кВт. Надежность — 99,7%. Скорость определения местоположения — 10-20 засечек/сек. Погрешность синхронизации станций внутри цепи – 30-50 нс. Точность местоопределения — до 10-50 м в радиусе до 150-200 км.

В целом радионавигационным полем 25 станций Loran-C США и 4 станций Канады в свое время была покрыта территория Северной Америки площадью 9 629091 кв. км.

Десятилетиями Loran-C была стандартной навигационной системой для коммерческого рыболовства, малотоннажного флота и других морских судов, а также для многих самолетов. Систему использовало от 1,2 до 1,5 млн. пользователей. Рабочие зоны цепей Loran-C также расширялись, перекрывая территории США и Канады, почти все побережье Североамериканского континента, Северную Атлантику, Скандинавию и Западную Европу, Северное и Норвежское моря, Атлантическое побережье Франции и Восточную Атлантику, Средиземное море, центральный и северо-западный районы Тихого океана, весь Аравийский полуостров, районы Ближнего и Дальнего Востока, Красного моря, Персидского залива, залив Аден, часть побережья Индии. Общая площадь рабочих зон цепей Loran-C превышала 95 млн.кв. В настоящее на территории Северной Европы зона покрытия системы Loran-С составляет 100 морских миль от передающих станций.

Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

  • Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
  • Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
  • Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
  • Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-ГЛОНАСС.
  • Тектоника, тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
  • Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
  • Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

ГЛОНАСС

Эта российская навигационная система функционирует с 90-х годов прошлого века. На сегодняшний день состав ее орбитальной группировки насчитывает более двадцати находящихся на орбите спутников. В ближайшее время их число планируется увеличить до тридцати.

Принцип действия системы ГЛОНАСС основан на поступлении информации с маячка слежения по GSM-каналу на удаленный сервер. Здесь она сохраняется для дальнейшей передачи пользователю. Время сбора данных находится в промежутке от 15 до 240 секунд. Далее специальная компьютерная программа обрабатывает информацию, находящуюся на сервере, и выдает месторасположение объекта.

В России разрабатывается и новейший проект, носящий название ЭРА-ГЛОНАСС. Подобная система позволит специальным службам экстренно реагировать при ДТП и авариях. Планируется, что к 2020 г. все транспортные средства будут оборудованы навигационно-связными терминалами, автоматически передающими сигналы дежурно-диспетчерской службе в случае серьезных ДТП, то есть когда в автомобиле сработают подушки безопасности. После этого оператор попытается уточнить все детали происшествия у водителя. При отсутствии ответа или при подтверждении информации по заданным координатам будут направлены спасатели МЧС, медики и сотрудники ГИБДД. Таким образом, спутниковые системы транспорта будут служить водителю первым помощником при возникновении чрезвычайных ситуаций.

Отзывы владельцев Hyundai Sonata

«Аркан»

Еще одна хорошая спутниковая навигационная система – это «Аркан». Она также работает с системами автомобиля. Нужно заметить, что она будет неэффективной, если имеются средства, которые давят GPS-канал. Стандартная функция – это доставка сообщений на диспетчерский пульт. Она работает со специальной сетью навигации, благодаря чему злоумышленник не сможет вывести данную систему из рабочего состояния. Дело в том, что она изменяет частоту. Соответственно, данное решение считается максимальная технологическим, а также без труда система может установить местонахождение любой машины. Более того, нужно отметить, что «Аркан» является такой спутниковой системой слежения, которая может максимально быстро передать координаты любого автомобиля, в котором установлена система, только при нажатии тревожной кнопки. Также это происходит при несанкционированном доступе к автомобилю. Если разряжается аккумулятор, то система переходит в режим экономии. Можно также контролировать работу канала при помощи подачи тестовых сигналов.

Орбиты спутниковой связи. Орбиты космических спутников связи:

На данный момент существует следующая классификация орбит спутниковых ретрансляторов.

Экваториальная орбита спутниковой связи. Характерной особенностью экваториальной орбиты выступает геостационарный подход, заложенный в основу предложенной технологии. Сущность подхода заключается в том, что угловая скорость спутника-ретранслятора и Земли не только совпадают, но и осуществляются в одном направлении. Иными словами, направление движения спутника и вращения нашей планеты идентичны. Главный плюс экваториальной орбиты заключается в том, что земной приемник постоянно пребывает на связи со спутником. В этом случае спутник, будто находится на одном месте, поэтому радиоволны не встречают препятствий.

К недостаткам предложенного варианта обращения спутника связи относится следующее:

– поскольку на орбиту одновременно выводится сотни и тысячи разных спутников, возрастает риск столкновения их друг с другом, поэтому приходится тщательно рассчитывать и контролировать их траектории;

– большая высота (около 36 тыс. км) вывода спутников на орбиту приводит к существенным задержкам при передаче полезной информации (эффект запаздывания радиосигнала);

– значительная высота вывода спутников на орбиту требует существенных материальных затрат;

– невозможность обслуживания земных станций в приполярных областях.

Наклонная орбита спутниковой связи представляет собой более сложный вариант движения в космическом пространстве и взаимодействия спутника с земными станциями.

В рамках предложенной схемы земные станции оборудуются специальными приборами слежения, которые облегчают поиск космического ретранслятора на околоземной орбите и обеспечивают коррекцию угла поворота антенного зеркала. Важным плюсом данного подхода является опция постоянного сопровождения спутника. Иными словами, земная станция постоянно контролирует местоположение спутника и «ведет» его по небосклону. Новшество полностью оправдывает себя в предаварийных и форс-мажорных ситуациях, когда владельцы спутников по разным причинам не контролируют их местоположение.

Полярная орбита спутниковой связи отождествляется с частным случаем наклонной орбиты и предполагает наклон к плоскости экватора в 90°.

Общие сведения

Система навигации рассчитывает правильный путь к выбранной цели и ведет автомобиль посредством соответствующих рекомендаций относительно направления движения.

Для реализации этой задачи еще в конце 70-х годов были начаты поиски решений. Но только в середине 90-х годов на рынке появились первые пригодные для использования, системы навигации, чьи рекомендации по движению были четкими, надежными и поддерживались хорошей картографией. Количество систем навигации с тех пор заметно возросло. При этом их ассортимент включает как простые приборы, которые объединяют в себе радиофункции и навигацию по стрелке в одном корпусе, так и системы, которые полностью встроены в функции автомобиля и наряду с указаниями относительно направления движения, предлагают детальную картографию и обширную дополнительную информацию, различные функции телематики, например, передачу координат местоположения при автоматическом экстренном вызове, или могут управляться посредством голосовых команд.

Дифференциальное измерение

Основная статья: Системы дифференциальной коррекции

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.

Кроме того, есть несколько систем, которые посылают потребителю уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до 10 сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.

На 2009 год имелись следующие бесплатные системы предоставления поправок: американская система WAAS (GPS), европейская система EGNOS (Galileo), японская система MSAS (QZSS). Они основаны на нескольких передающих поправки геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).

Создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ завершено к 2016.

Новые маленькие пони

Обзор спутниковых систем навигации

Исторические системы

  • Transit — первая в мире спутниковая навигационная система, США, 1960-е — 1996
  • Циклон — первая спутниковая система навигации в СССР
  • Цикада — низкоорбитальная «космическая навигационная система»* (КНС) — гражданский вариант морской спутниковой навигационной системы «Циклон», аналог Transit — 1976 — 1997 гг.
  • Парус — низкоорбитальная КНС (именно с таким названием была принята на вооружение в 1976 г.) — серия российских (советских) навигационных спутников военного назначения.

Действующие спутниковые системы

  • GPS — принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.
  • ГЛОНАСС — принадлежит министерству обороны РФ. Разработка системы официально началась в 1976 г., полное развёртывание системы завершилось в 1995 г. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году пришла в упадок. Была восстановлена к концу 2011 г. В настоящее время на орбите находится 27 спутников, из которых 22 используется по назначению. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.
  • DORIS — французская навигационная система. Принцип работы системы связан с применением эффекта Допплера. В отличие от других спутниковых навигационных систем основана на системе стационарных наземных передатчиков, приёмники расположены на спутниках. После определения точного положения спутника система может установить точные координаты и высоту маяка на поверхности Земли. Первоначально предназначалась для наблюдения за океанами и дрейфом материков.

Строящиеся глобальные спутниковые системы

  • BeiDou (см. также Compass) — развёртываемая Китаем местная спутниковая система навигации, основанная на геостационарных спутниках. По состоянию на 2015 год система имела 14 работающих спутников: 5 на геостационарных орбитах, 5 — на геосинхронных и 4 — на средних околоземных. Реализация программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в г. В мае 2016 года был запущен 21-й космический аппарат. Предполагается, что к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная.
  • Galileo — европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. По состоянию на ноябрь 2016 года на орбите находится 16 спутников, 9 действующих и 7 тестируемых. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

Действующие региональные спутниковые системы

  • IRNSS — индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS — 7.
  • QZSS — японская квази-зенитная спутниковая система (Quasi-Zenith Satellite System, QZSS) была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый QZSS-спутник был запущен в 2010 г. Предполагается создание группировки из трёх спутников, находящихся на геосинхронных орбитах, а также собственной системы дифференциальной коррекции.

Сетевая радионавигационная спутниковая система GPS

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Её основное назначение — высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

  • по космическому сегменту — Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;
  • по сегменту управления — IBM, Federal System Company;
  • по сегменту потребителей — Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division .

Как и система Глонасс, GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного комплекса и сегмента потребителей.

Как было сказано выше, орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые сказывались на их характеристиках в целом. В табл. 1 приведены краткие характеристики космических аппаратов, используемых в системе.

Таблица 1. Характеристики космических аппаратов, используемых в системе GPS

Тип НКА Масса на орбите Мощность энергоисточников, Вт Расчётный срок активного существования Год запуска первого НКА
Блок-I 525 440 1978
Блок-II 844 710 5 1989
Блок-IIR 1094 1250 7,5 1997
Блок-IIF 14–15 2001–2002

Таблица 2. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS

Показатель ГЛОНАСС GPS
Число КА в полной орбитальной группировке 24 24
Число орбитальных плоскостей 3 6
Число КА в каждой плоскости 8 4
Наклонение орбиты 64,8º 55º
Высота орбиты, км 19 130 20 180
Период обращения спутника 11 ч. 15 мин. 44 с 11 ч. 58 мин. 00 с
Система координат ПЗ-90 WGS-84
Масса навигационного КА, кг 1450 1055
Мощность солнечных батарей, Вт 1250 450
Срок активного существования, лет 3 7,5
Средства вывода КА на орбиту «Протон-К/ДМ» Delta 2
Число КА, выводимых за один запуск 3 1
Космодром Байконур (Казахстан) Мыс Канаверел (Cape Canaveral)
Эталонное время UTC (SU) UTC (NO)
Метод доступа FDMA CDMA
Несущая частота:L1L2 1598,0625—1604,257/9 L1 1575,4260/77 L1
Поляризация Правосторонняя Правосторонняя
Тип псевдошумовой последовательности m-последовательность код Голда
Число элементов кода:C/AP 51151 1000 10232,35×1014
Скорость кодирования, Мбит/с:C/AP 0,5115,11 1,02310,23
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ -48 -21,6
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/с 50 50
Вид модуляции BPSK (Манчестер) BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин. 2,5 (5 кадров) 12,5 (25 кадров)
Длина кадра, с 30 (15 строк) 30 (5 строк)
Длина строки, с 2 6

При проектировании системы в целом и НКА в частности, большое внимание уделяется вопросам автономного функционирования. Так, космические аппараты первого поколения (Блок-I) обеспечивали нормальную работу системы (имеется в виду, без существенных ошибок определения координат) без вмешательства сегмента управления в течение 3–4 дней

В аппаратах Блок-II этот срок был увеличен до 14 дней. В новой модификации НКА Блок-IIR позволяет автономно работать в течение 180 дней без корректировки параметров орбиты с земли, пользуясь лишь автономным комплексом взаимной син-хронизации спутников. Аппараты Блок-IIF предполагается использовать взамен отработавших Блок-IIR.

Смена концепции

Делать нечего, как GPS, так и другие глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS или ГНСС), вынуждены были сменить концепцию развития и подстраховываться системами, построенными на немного других принципах. И вся эта сегодняшняя доступность, высокая точность и низкая стоимость услуг ГНСС для потребителей имеют «обратную сторону медали» в лице уязвимости к помехам. Для маломощных сигналов ГНСС (в частности, GPS передает сигнал со спутников, находящихся на расстоянии 20 тыс. км от поверхности Земли и, разумеется, имеющих ограничения по энергетике) возрастает опасность внешних атак с подменой сигнала и наведением преднамеренных помех, а также снижения производительности в некоторых операционных средах.

Все это подвело тех, кто принимает решения, а также представителей пользовательских сообществ к необходимости пересмотреть свои ожидания по части GPS сотоварищи в сторону поиска альтернативных PNT-ресурсов (APNT — Alternative Positioning, Navigation, and Timing). Как видно из названия, там еще присутствует точное время, которое сегодня также часто берется от ГНСС. А если в двух словах, то из-за угрозы кибератак судоходная отрасль отказываются от GPS в пользу технологий Второй мировой войны. А ведь 90% мировой торговли осуществляется по морю, и в отличие от воздушного транспорта, корабли не имеют дублирующей навигационной системы. К тому же на оживлённых морских трассах велик риск посадки на мель или столкновения с другими судами, что, собственно, мы могли наблюдать в последнее время на примере серии инцидентов с кораблями 7-го флота США.

Кстати, в США еще в 2004 году директивой Президента было утверждено создание резервной системы для GPS, чтобы обеспечить бесперебойное предоставление PNT-услуг. Это модернизированная система, основанная на импульсно-фазовой навигационной системе Loran (Long Range Navigation), которая была разработана в США в годы Второй мировой войны. Улучшенная система e Loran (enhanced Loran) будет дополнена цифровой обработкой сигнала. Не так давно Палата представителей Конгресса США одобрила законопроект, который предусматривает создание e Loran в США.

Первоначально система Loran предназначалась для навигационного обеспечения ударных сил авиации и военно-морского флота при решении ими боевых задач. Высокие тактико-технические характеристики этой системы предопределили ее массовое применение гражданскими потребителями большинства стран мира для решения хозяйственно-экономических задач. В отличие от систем ГНСС система Loran транслирует сигнал с наземных мачт, где потенциально энергетика не ограничена.

Однако же и Loran – не первое в мире радиосредство позиционирования и навигации.

Единая система навигации в цифрах:

При создании единой системы навигации города Москвы изначально было запланировано установить более 80 тысяч домовых указателей и более 11 тысяч городских указателей. Основная программа по городским указателям выполнена, установлен юбилейный, 11-ти тысячный городской указатель, и теперь она будет только дополняться при появлении новых объектов или переезде учреждений на новые места. Что же касается домовых указателей с указанием наименований улиц и номеров домов, то уже установлено 83,4 тыс. В 2019 и последующих годах совершенствование системы пешеходной навигации не закончится — Москва строится, обновляется, открываются новые театры и музеи, так что разработчикам системы пешеходной навигации предстоит еще много работать на благо москвичей и гостей столицы!

Итоги

В заключение следует сказать, что поисковые спутниковые системы сейчас действительно очень популярны. И этому есть примеры. Спутниковая система GPS является одной из наиболее известных, и ею пользуется большое количество людей. Но и это не все. Читая отзывы от автомобилистов, можно сказать, что многие угоны или же попытки вскрыть машину и угнать ее у преступников оставались несовершенными, так как спутниковые системы позволяли максимально быстро установить, что в машину было совершено проникновение.

Также следует сказать о телевизионной системе, которая позволяет принимать сотни каналов со всего мира. На самом деле применение таких систем сейчас является еще не до конца улучшенными, поэтому идет активная их разработка, что позволяет максимально обеспечить удобную жизнь человеку

Следует обратить внимание на такие системы при работе с сигнализациями для автомобилей, а также выбирая между аналоговым сигналом и цифровым

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий