Тема 2.2 Позиционирование с помощью спутниковых систем.

§1 Глобальная система позиционирования gps.

Первым навигационным системам были радионавигационные системы LORAN и DECCA, они отлично работают в прибрежных зонах, вблизи тех мест, где расположены их наземные станции, Однако большая часть земной поверхности остается вне зоны действия станции. А на точность оказывают влияние электромагнитные помехи и географическое положение.

Другая современная навигационная система «Транзит» основана на использовании спутников. Эти спутники расположены на слишком низких орбитах, поэтому выполнять операцию позиционирования с достаточной частотой повторов невозможно, а поскольку измерение «Доплеровского смещения», производится на низких частотах, даже самые малые перемещения приемника во время измерений могут внести значительные ошибки в результаты позиционирования.

Военное ведомство США создало Глобальную Систему Позиционирования «GPS». В нее вошло 24 космических спутника, расположенных на орбитах с очень большой высотой. /Это стоило 12 млрд. долларов/.

Точность этой системы около 1 см. система позволяет производить измерения в любом месте Земли все 24 часа в сутки. Система способна определять трехмерное положение объекта. Ее возможности обширны:

-указание пункта назначения транспортным средствам, обеспечение автомобилей электронными картами;

- предотвращение катастроф, вызванных столкновением самолетов;

- разрабатывается система посадки самолетов при нулевой видимости.

В эту основу GPS положена спутниковая дальнометрия, т.е. мы определяем координаты, занимаемой нами позиции путем измерения дальностей относительно этой позиции нескольких космических спутников. При этом спутники играют роль позиционных опорных точек.

В какой из двух точек мы находимся? Требуется еще одно измерение до четвертого спутника. Это не всегда обязательно. В компьютеры GPS заложено несколько алгоритмов, позволяющих отличить правильную точку от неправильной.

§2 Измерение расстояний до спутника.

Система измеряет время прохождения радиосигналом расстояния от спутника до антенны приемника и по измеренному времени рассчитывает пройденный путь.

Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света 300000 км в секунду. Так как скорость высока. То часы должны быть особые. Приемники позволяют измерять время с наносекундной точностью. Это секунды. Разработчики системы синхронизируют аппаратуру спутника и приемника, чтобы они одновременно генерировали одинаковый код. После того как код, переданный спутником, принят необходимо посмотреть когда такой же код был сформирован нашим приемником.

Коды представляют собой тщательно подобранные псевдослучайные последовательности, повторяющиеся каждую миллисекунду. Такие коды обычно называют псевдослучайными кодами.

§3 Обеспечение точной синхронизации.

Если синхронизация аппаратуры спутника и приемника будет нарушена хотя бы на 0,01 секунду, то ошибка в измерении расстояния достигнет 3 000 км.

На борту каждого спутника установлены атомные часы, они стоят > 100 000 долларов за штуку, а на спутнике их 4 штуки. «Маятником» в таких часах служат колебания отдельных атомов.

Приемная аппаратура не имеет таких часов, а любая ошибка синхронизации исключается четвертым измерением.

Рассмотрим пример в двухмерном измерении. Пусть синхронизация спутника и приемника обеспечивается.

Три дальности пересекаются в одной точке, отмеченной крестом. А теперь посмотрим, что произойдет, если часы приемника спешат на одну секунду.

Миниатюрные компьютеры приемников запрограммированы таким образом, что как только обнаружиться непересечение дальностей в одной точке, компьютер начинает подбирать (добавлять или вычитать какое-то время), пока не вычислит ошибку, при введении которой окружности пересекутся в одной точке. Это время будет 1 секундой. Для решения этой задачи необходимо четыре уравнения с четырьмя неизвестными.