ИОАС / Книги / Транспортная телематика в дорожной отрасли

10

распространения сигнала на время в секундах, получим расстояние до спутника.

Третий принцип: положение каждого навигационного спутника в пространстве максимально точно определено и доступно навигационному приемнику, принимающему от спутника навигационные сигналы, в любой момент времени.

Четвертый принцип: для обеспечения точности навигации необходимо учитывать ионосферные и атмосферные задержки сигналов и другие погрешности.

2.2. Характеристики современных глобальных навигационных спутниковых систем

В настоящее время действуют две глобальные СНС:

GPS (Global Positioning System, США);

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система, Россия).

В стадии развертывания находится еще одна глобальная СНС – Европейская СНС GALILEO.

Общее название этих систем: глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС).

Запуск Советским Союзом в 1957 г. первого искусственного спутника Земли создал условия для практического использования спутниковых технологий в сфере навигации. Спутниковая навигация разрабатывалась для военных целей и на средства, выделенные из государственного бюджета на оборону в США и в СССР, как средства высокоточного наведения оружия дальнего радиуса действия (стратегические ракеты и авиация). Спутниковая навигация доступна и для широкого применения в армии и на флоте на всех потенциальных театрах военных действий.

Министерство обороны США с 1960-х годов ХХ века начало работать над созданием глобальной, непрерывно доступной системы навигации высокой точности. Был создан специальный комитет, на-

званный Navigation Satellite Executive Group (NAVSEG). Навигационная система, построенная по сформулированной комитетом концепции, получила название NAVSTAR GPS.

NAVSTAR – Navigation System with Time and Ranging - навигаци-

онная система на основе временных и дальномерных измерений.

11

GPS – Global Positioning System - глобальная система позицио-

нирования.

Термин «позиционирование» - более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает в себя определение вектора скорости движущегося объекта.

В 1972 г. была продемонстрирована работа данной системы, использовавшей новый метод разделения сигналов спутников - кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала. При этом все навигационные спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом (ПСК), индивидуальным для каждого спутника.

GPS состоит из трех частей: космического сегмента;

сегмента управления и контроля;

сегмента пользователей.

Спутниковый сегмент состоит из созвездия спутников.

Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников.

Сегмент пользователей — это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе.

Вкаждый момент времени 24 спутника системы NAVSTAR GPS находятся в рабочем состоянии. Спутники распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится четыре спутника. Плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние спутников от поверхности Земли — 20,2 тыс. километров. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток.

Взадачи сегмента управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за навигационными спутниками (НС) для определения параметров их орбит (эфемерид) и поправок погрешности хода часов относительно системного времени GPS, прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (прогноз эфемерид), временная синхронизация часов относительно времени системы, загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников.

12

Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов.

Российская СНС ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), функционирующая на сходных с NAVSTAR GPS идеях и принципах была разработана к 80-м годам ХХ века.

Ведущими разработчиками системы спутниковой навигации в России были ученые и специалисты научно-исследовательского института, который был учрежден в СССР в 1956 г. - и в настоящее время носит название Российский институт радионавигации и времени (РИРВ). Его основными задачами были:

создание радионавигационных систем дальнего действия;

создание систем единого времени (СЕВ).

Центр управления спутниковой группировкой ГЛОНАСС находится в г. Королеве Московской области.

2.3. Особенности разрабатываемой Европейской спутниковой навигационной системы «Галилео»

Специалистами нескольких стран Европы разрабатывается совместный проект спутниковой системы навигации Европейского Союза и Европейского космического агентства «ГАЛИЛЕО» (GALILEO). Система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее 1 м.

Состав спутниковой группировки «Галилео» - включает 30 спутников (27 рабочих и 3 резервных) для обеспечения постоянного покрытия любой точки земного шара, по крайней мере, четырьмя аппаратами.

Космический сегмент дополняется наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций. Спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюса, 90%-ную вероятность одновременного приема сигнала от четырех спутников. В большинстве мест на планете одновременно в зоне прямой видимости будут находиться шесть спутников Galileo.

В табл. 2.1 приведены основные характеристики спутниковых навигационных систем NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, GALILEO.

13

2.4.Расчет местоположения объекта

сиспользованием спутниковых навигационных систем

2.4.1.Системы координат, применяемые в ГНСС

1) Геоцентрическая инерциальная система координат Геоцентрическая инерциальная система координат используется

для определения в любой момент времени местоположения в пространстве каждого навигационного спутника, движущегося по своей орбите. Движение навигационного спутника происходит под действием сил инерции и гравитационного поля Земли. Траекторное движение навигационных спутников описывается в классической «небесной» инерциальной геоцентрической системе координат Ox0y0z0. Ось Ox0 этой системы лежит в плоскости экватора и направлена в точку небесной сферы, называемую точкой весеннего равноденствия, точкой Весны или точкой Овна (обозначается знаком созвездия Овна: ). Ось Oz0 направлена вдоль оси вращения Земли в сторону Северного

14

полюса (Полярной звезды), а ось Oy0 дополняет систему координат до правой (рис. 2.1).

Для расчета текущего местоположения спутника в пространстве используются известные параметры орбиты навигационного спутника и характеристики движения спутника на орбите, которые называют эфемеридами. Совокупность эфемерид всей группировки навигационных космических аппаратов (НКА) называют альманахом.

2) Геоцентрическая прямоугольная неинерциальная система координат

Для потребителя более удобным является описание движения НКА в геоцентрической подвижной (неинерциальной) прямоугольной системе координат Oxyz , учитывающей суточное вращение Земли. Центр этой системы также совпадает с центром масс Земли, ось Oz совпадает с осью Oz0 . Ось Ox лежит в плоскости экватора и проходит через Гринвичский меридиан, ось Oy дополняет систему координат до правой. Плоскость Oxz определяет на поверхности Земли линию сечения, от которой отсчитывается долгота. Оси Ox и Oy вращаются со скоростью вращения Земли. В процессе вращения Земли ось Ox периодически совмещается с осью Ox0(см. рис. 2.1). Интервал между двумя такими последовательными моментами соответствует одним звездным суткам.

Zo

Z

Y

Xo

X

Рис. 2.1. Оси геоцентрических систем координат: инерциальной (x0,y0,z0) и неинерциальной (x,y,z)

15

3) Географическая система координат Географическая система координат позволяет определять по-

ложение точки на земной поверхности по ее координатам. Координатами точки являются углы, называемые широта и долгота. Величина этих углов зависит от положения точки относительно опорных плоскостей географической системы координат (плоскости, в которых лежат оси системы координат).

Опорными плоскостями географической системы координат являются плоскость экватора и плоскость начального (гринвичского) меридиана (рис. 2.2). От экватора отсчитывают широты B. От Гринвича отсчитывают геодезические долготы L.

= 90

ГРИНВИЧСКИЙ МЕРИДИАН

ЭКВАТОР

= 180

= 0

= -90

Рис. 2.2. Координатная сфера

Определения

— угол φ между радиус-вектором, проведенным из центра масс Земли в указанную точку на земной поверхности, и плоскостью экватора. Таким образом, широта любой точки на земной поверхности, лежащей на экваторе, равна нулю. Географическую широту точек, лежащих в северном полушарии, (северную широту), принято считать положительной, она лежит в интервале от 0 до 90°. Широту точек в южном полушарии принято считать отрицательной, она лежит в интервале от 0 до - 90°.

16

точки — угол λ между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, от которого ведѐтся отсчѐт долготы. За нулевой меридиан принят Гринвичский меридиан, проходящий через обсерваторию, расположенную в населенном пункте Гринвич, на юго-востоке от Лондона. Долгота любой точки на земной поверхности, лежащей на Гринвичском меридиане, равна нулю.

Долготы к востоку от нулевого меридиана называют восточными, к западу - западными. Восточные долготы принято считать положительными они лежат в интервале от 0 до 180°. западные — отрицательными, они лежат в интервале от 0 до -180° (рис. 2.2).

2.4.2. Определение высоты в географических координатах

Чтобы полностью определить положение точки в трѐхмерном пространстве, необходима третья координата - высота. В географической системе координат под «высотой» понимается «высота над уровнем моря», отсчитываемая от уровня «сглаженной» поверхности - геоида.

Геоид - фигура Земли, ограниченная поверхностью, совпадающей в океанах со средним уровнем океана и продолженной по положению на континенты (материки и острова). В строгом определении геоид - это поверхность уровня моря, содержащая точку, принятую за начало отсчета высот. В России таковой является «Нуль-пункт Кронштадтского футштока». Нуль-пункт Кронштадтского футштока - горизонтальная метка, выбитая на каменном устое моста через Обводный канал в Кронштадте по среднему уровню Балтийского моря за период 1825-1840 гг. В спутниковых навигационных системах геоид – фигура земли - моделируется эллипсоидом вращения. Отсюда геодезические высоты в спутниковых навигационных системах отсчитывают от поверхности эллипсоида по нормали (рис. 2.3).

В американской спутниковой навигационной системе GPS используется модель Земли World Geodetic System (WGS 84) — всемирная геодезическая система, принятая в 1984 г., которая была построена по эллипсоиду Хейфорда. В глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС используется общеземная геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 г.» (ПЗ-90.11). В данной системе используется модель Земли, построенная по модернизиро-

17

ванному эллипсоиду Красовского. Параметры земных эллипсоидов Хейфорда и Красовского показаны в табл. 2.2. Они незначительно различаются, соответственно, координаты, используемые в геодезических системах WGS 84 и ПЗ-90.11, могут для одних и тех же точек на Земле расходиться в некоторых местах на десятки метров.

Географические координаты (широта от -90 до +90°, долгота от - 180 до +180°) могут записываться:

в ° градусах в виде десятичной дроби (современный вариант);

в ° градусах и ' минутах с десятичной дробью; в ° градусах, ' минутах и " секундах с десятичной дробью (исторически сложившаяся форма записи).

x

Рис. 2.3. Земной эллипсоид

Таблица 2.2 Параметры земных эллипсоидов, используемых

в спутниковых навигационных системах

Разделителем десятичной дроби всегда служит точка. Положительные знаки координат представляются (в большинстве случаев

18

опускаемым) знаком «+», либо буквами: «N» - северная широта и «E» - восточная долгота. Отрицательные знаки координат представляются либо знаком «-», либо буквами: «S» - южная широта и «W» - западная долгота. Буквы могут стоять как впереди, так и сзади.

Пример вариантов записи координат точки -55°45′20.99″ с.

ш.37°37′03.62″ в. д.

55.755831°, 37.617673° — градусы;

N55.755831°, E37.617673° — градусы (+ доп. буквы);

55°45.35'N, 37°37.06'E — градусы и минуты (+ доп. буквы);

55°45'20.9916"N, 37°37'3.6228"E — градусы, минуты и секунды (+

доп. буквы).

2.4.3. Определение положения объекта по расстояниям от него до навигационных спутников

В спутниковых системах используется дальномерный метод определения местоположения объекта, основу которого составляют следующие положения.

1) В момент определения местоположения необходимо знать: местоположение спутника в пространстве; расстояние до спутника.

2)Местоположение спутника в пространстве в инерциальной «небесной» системе координат в любой момент времени навигационный приемник может вычислить, получив от спутника его эфемеридную информацию.

3)Расстояние до спутника навигационный приемник вычисляет на основании измерения задержки в приеме от спутника дальномерного кода.

С целью реализации дальномерного метода определения местоположения объекта все спутники одновременно передают с разной скоростью эфемеридную информацию и дальномерный код.

Навигационный приемник начинает работу с приема эфемеридной информации спутников (альманах). Если в предыдущих сеансах информация альманаха была уже получена приемником, и она не менялась, приемник может сразу перейти к обработке дальномерного кода, в результате которой он получает время задержки дальномерного сигнала. Это время задержки вычисляется благодаря тому, что и спутник, и приемник синхронно генерируют одну и ту же псевдослу-

19

чайную последовательность кодов. Спутник передает, а приемник принимает сигналы дальномерных кодов и сравнивает с текущим состоянием своей аналогичной псевдослучайной последовательности кодов. По результатам обработки дальномерного кода приемник вычисляет расстояние до спутника следующим образом. Пусть в момент времени t вычисленное приемником время задержки дальномерного кода от i-го спутника составило величину Δti(t). Тогда расстояние до спутника в момент времени tRi(t) определяется из выражения

где с – скорость света в пространстве.

Одновременно по эфемеридной информации от спутника приемник может вычислить местоположение i-го спутника в инерциальной системе координат: (X0i,Y0i,Z0i). Тогда по результатам проведенных вычислений навигационным приемником по данным от одного (i-го) спутника, полученным в момент времени t, можно сделать заключение, что в момент времени t приемник находился на поверхности сферы радиусом Ri(t) и центром в точке с координатами (X0i,Y0i,Z0i), измеренными в инерциальной «небесной» системе координат.

Если одновременно провести аналогичные вычисления по сигналам двух спутников: i-му и j-му, то по этим измерениям можно сделать заключение, что в момент времени t навигационный приемник находится на окружности, являющейся линией пересечения двух сфер с центрами, имеющие координаты (X0i,Y0i,Z0i), (X0j,Y0j,Z0j), измеренные в инерциальной «небесной» системе координат. Положение всех точек окружности в пространстве также можно вычислить. Однако этого недостаточно для однозначного определения местоположения объекта.

Аналогично рассуждая относительно одновременного проведения вычислений по сигналам трех спутников с номерами i, j, k, можно сделать заключение о том, что информация от третьего спутника позволит найти две точки на вышеупомянутой окружности, являющейся точками пересечения трех сфер с центрами, которые имеют координаты (X0i,Y0i,Z0i), (X0j,Y0j,Z0j), (X0k,Y0k,Z0k). Поскольку, кроме эфемеридной информации, приемник имеет информацию модели Земли в виде земного эллипсоида, то использование данной информации позволит дать однозначное заключение о местонахождении приемника на поверхности земли.