Полная версия

Главная arrow Техника arrow Беспроводные технологии на автомобильном транспорте. Глобальная навигация и определение местоположения транспортных средств

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ ГЛОНАСС И GPS

Ключевые слова: спутниковые навигационные системы, ГЛОНАСС, GPS, навигационный спутник, орбитальная группировка.

В результате изучения материала первой главы студент должен:

знать

  • • историю создания и развития спутниковых навигационных систем;
  • • назначение и принцип действия спутниковых систем радионавигации ГЛОНАСС и GPS;
  • • основные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS;

уметь

  • • обобщать и систематизировать материалы, касающиеся использования спутниковых навигационных технологий на автомобильном транспорте;
  • • анализировать и интерпретировать результаты научных исследований, касающихся применения спутниковой навигации в технологиях управления перевозками автомобильным транспортом;

владеть

  • • современными технологиями спутниковой навигации в системах управления перевозками грузов и пассажиров автомобильным транспортом;
  • • навыками поиска научно-технической информации, необходимой для использования технологий спутниковой навигации в логистических системах.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Работы по созданию спутниковых навигационных систем начались в 1950-х гг. в СССР и США.

В России идею создания спутниковых навигационных систем на основе применения эффекта Доплера выдвинул профессор Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) Валентин Семенович Шебшаевич [14]. Эта возможность была открыта им при исследовании приложений радиоастрономических методов в пилотировании самолетов.

Аналогичные идеи расчета координат на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика, установленного на спутнике, разрабатывались в США Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, под руководством доктора Ричарда Кершнера.

Указанный эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который теоретически, а затем и экспериментально доказал изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем (приемником), вследствие относительного движения источника излучения и (или) движения наблюдателя (приемника). Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны X) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приемнику, т.е. догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

х=Ыс-у)' (1Л)

где м>0 — угловая частота, с которой источник испускает волны; с — скорость распространения волн в среде; V — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приемнику, и отрицательная, если удаляется).

Обязательным условием использования эффекта Доплера применительно к спутниковой навигации является знание параметров движения спутника на орбите, параметров орбиты в некоторой геоцентрической системе координат, а также параметров математической модели Земли. Важной особенностью эффекта Доплера является, кроме того, существование прямой и обратной навигационной задач:

  • • прямая задача: зная местоположение и скорость движения спутника на орбите, определить местоположение объекта на Земле;
  • • обратная задача: зная точное местоположение объекта на Земле, по известной частоте излучения сигнала передатчиком на навигационном спутнике и допплеровскому сдвигу частоты, принимаемой приемником объекта, определить параметры орбиты навигационного спутника.

Очевидно, что прямая задача решается в интересах потребителей спутниковых навигационных измерений, а обратная задача — в системе контроля движения спутников.

Можно без преувеличения сказать, что разработка и практическое внедрение спутниковой навигации начались только после успешного исторического запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Принимая и обрабатывая сигналы передатчика, установленного на спутнике, советские и американские ученые смогли выделить доплеровский сдвиг частоты и убедиться в практической возможности применения эффекта Доплера для навигационных измерений с достаточной по тем временам точностью.

По инициативе Министерства обороны СССР после этого в ряде советских институтов были начаты и проведены исследования, посвященные вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий. Тем самым было положено начало разработке первой отечественной спутниковой навигационной системы, получившей название «Циклон» и основанной на использовании эффекта Доплера.

Спутниковая навигационная система, использующая эффект Доплера, получившая название Transit («Транзит»), начала разрабатываться в США в 1958 г. Разработка спонсировалась Министерством обороны США. Она велась Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США DARPA {Defense Advanced Research Projects Agency), созданным в 1958 г. после запуска первого советского ИСЗ. К работам также привлекались ученые Университета Джонса Хопкинса.

В 1964 г. система «Транзит» вступила в эксплуатацию для обеспечения навигации американских военных кораблей. Масса навигационного космического аппарата (НКА) — 56 кг. Рабочие частоты — 400 и 150 МГц. Орбитальная группировка включала шесть навигационных космических аппаратов, которые находились на круговых орбитах высотой около 6000 км. Спутники системы «Транзит» позволяли определять местоположение в каждой точке земного шара с точностью до 200 м [13].

В СССР развертывание системы «Циклон» началось в 1971 г. В 1976 г. система была принята на вооружение в составе шести космических аппаратов, обращающихся на околополярных орбитах высотой 1000 км.

Системы «Транзит» и «Циклон» использовались в интересах военно-морского флота своих стран. Следует отметить, однако, что в 1967 г. началась коммерческая эксплуатация системы «Транзит» в морском флоте, причем количество гражданских пользователей очень быстро увеличилось. Тем самым было положено начало применению спутниковой навигации в мирных отраслях народного хозяйства. Гражданская версия системы «Циклон», известная под названием «Цикада», также стала использоваться на судах морского флота СССР. Разработчиком систем «Циклон» и «Цикада» являлось предприятие «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева [13, 22].

Высоты орбит спутниковых группировок систем «Транзит» и «Циклон» позволяют отнести их к низкоорбитальным спутниковым группировкам. Преимуществом систем на основе низколетящих спутников является то, что, поскольку они находятся относительно близко к Земле, для связи с ними не требуется большой мощности передатчиков. Тем не менее навигационная аппаратура потребителей спутниковой навигации обладала значительными габаритами и весом, хотя это не имело большого значения, поскольку аппаратура использовалась исключительно на морском флоте.

В 1974 г. отечественный журнал «Катера и яхты» опубликовал статью «Яхты и космос» [38], в которой привел характеристики судовой бортовой навигационной аппаратуры системы «Транзит», разработанной специалистами Университета Джонса Хопкинса. Аппаратура способна определять местоположение судна с точностью до полукилометра. Стоимость аппаратуры при серийном производстве составила 10 тыс. долл. Американская фирма Satellite Position Corporation разработала малогабаритную судовую навигационную аппаратуру SGS-100, работающую по сигналам системы «Транзит». Вес аппаратуры — 34 кг, габариты — 49 х 60 х 24 см.

Практическая эксплуатация спутниковых навигационных систем, разработанных на основе использования эффекта Доплера, выявила их недостатки, включающие:

  • • относительно низкую точность определения местоположения объекта, не удовлетворяющую требованиям военных специалистов;
  • • невозможность применения системы в авиации;
  • • перерывы в навигационных определениях.

Указанные недостатки привели к необходимости разработки глобальных спутниковых навигационных систем, работающих на других принципах.

Исторически начало развития было положено разработкой американской навигационной системы NAVSTAR GPS. Разработки концепции Глобальной навигационной спутниковой системы NAVSTAR/GPS (Navigation System with Time and Ranging/ Global Positioning System) начались в 1973 г. В феврале 1978 г. был запущен первый экспериментальный спутник GPS.

При разработке системы точность SPS в 100 м считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных с марта 1990 г. был введен режим «ограничения доступа» SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS.

К середине 1993 г. на орбитах находились уже 24 спутника, что достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили в июле 1995 г.

В СССР официально начало работ по созданию системы ГЛОНАСС было положено в декабре 1976 г. специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Первые летные испытания были начаты 12 октября 1982 г. запуском на орбиту первого навигационного спутника «Ураган». В конце 1980-х — начале 1990-х гг. работы по развитию ГЛОНАСС были свернуты по экономическим и другим причинам. Лишь 2 сентября 2010 г. общее число спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 — группировка была полностью развернута для полного покрытия Земли. Головным разработчиком комического сегмента системы ГЛОНАСС было предприятие «Информационные космические системы» имени академика М.Ф. Решетнева.

В 2011 г. была модернизирована система наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2—2,5 раза, что составляет порядка 2,8 м для гражданских потребителей. 26 февраля того же года запустили первый НКА нового поколения ГЛОНАСС-К, у которого срок активного существования на орбите увеличился до семи лет (рис. 1.1).

Схема навигационного космического аппарата ГЛОНАСС-К

Рис. 1.1. Схема навигационного космического аппарата ГЛОНАСС-К

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>