Полная версия

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

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ

Ключевые слова: расстояние до объекта; синхронизация часов; погрешность часов спутника и приемника; эфемериды.

В результате изучения материала второй главы студент должен:

знать

  • • принципы навигационных определений в ГНСС;
  • • решение задачи определения местоположения объекта;
  • • факторы, влияющие на погрешность навигационных измерений;

уметь

  • • обобщать и систематизировать научно-техническую информацию, касающуюся разработки спутниковых навигационных технологий место-определения объекта;
  • • анализировать и интерпретировать результаты научных исследований, касающихся разработки бортовых телематических устройств, включающих модули спутниковой навигации ГЛОНАСС, GPS;

владеть

  • • методами использования решений навигационной задачи для мониторинга движения автотранспортных средств;
  • • навыками поиска и анализа научно-технической информации по вопросам разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС, GPS для автомобильного транспорта.

ПРИНЦИПЫ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ

Основной принцип, лежащий в основе системы спутниковой навигации, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если известны местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в трехмерном случае — сферу), на которой должна быть расположена точка местоположения приемника.

Принцип определения координат объекта в системе ГНСС основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии как минимум до трех спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых — спутники, а радиус — измеренное расстояние до каждого из спутников (рис. 2.1). Идея, лежащая в основе измерения расстояния до спут-

Спутник 1

Спутник 2

Местоположение объекта

Спутник 3

Рис. 2.1. Простейший случай спутниковой навигации

ника, основана на известном равенстве: расстояние есть скорость, умноженная на время движения [16].

Представим, что, находясь в автомобиле, мы хотим определить свое местонахождение на длинной и прямой улице. Предположим, в конце улицы есть радиопередатчик, посылающий тактовый импульс каждую секунду. В автомобиле есть часы, которые синхронизированы с часами радиопередатчика. Измеряя время прохождения импульса от передатчика до машины, мы можем определить позицию автомобиля на улице (рис. 2.2).

Переданный сигнал

Принятый сигнал

Расстояние й

<-

Рис. 2.2. Определение расстояние по времени и скорости

распространения сигнала

Поскольку синхронизация часов в машине с передатчиком неидеальна, существует разница между вычисленным расстоянием и фактическим. В навигации это некорректное значение называется псевдодальность. Если ошибка по времени составляет одну микросекунду (1 мкс), то с учетом скорости распространения радиоволн погрешность составит 300 м.

Можно было бы решить данную проблему, оснастив автомобиль атомными часами, но это значительно повлияет на бюджет. Другим решением будет использование второго синхронизированного передатчика, расстояние до которого известно. Измеряя оба времени распространения, можно точно определить расстояние, несмотря на неточные бортовые часы (рис. 2.3). Чтобы точно вычислить позицию и время вдоль линии (принимаем, что линия продолжается только в одном направлении), нам необходимо использовать два передатчика сигналов времени. Покажем, что расстояние /) в этом случае вычисляется по формуле

  • (Ах! - Лт2)с + Л
  • 2
  • (2.1)

где Ат,, Дт2 — измеренное автомобильными бортовыми часами время прихода сигнала соответственно от первого и второго передатчиков; с — скорость света; А — расстояние между передатчиками.

По первому и второму измерениям псевдодальности Д и Д определятся по выражениям

Д = О + 5с; (2.2)

Д=(Л-Д + 5с, (2.3)

где 5 — погрешность часов автомобиля в секундах.

Очевидно, что если часы автомобиля спешат, то знак 5 — положительный, если отстают, то знак 5 — отрицательный.

Заменив в равенствах (2.2), (2.3) псевдодальности Д и Д их выражениями через скорость света и измеренное время прихода сигнала (соответственно Д = С • Дт,, Г>2= с - Дт2) и выполнив очевидные преобразования, приходим к выражению (2.1).

Из приведенных рассуждений мы можем сделать следующий вывод: при несинхронизированных бортовых часах, используемых при расчете позиции, необходимо использовать число передатчиков сигналов времени, превышающее число неизвестных измерений на единицу.

Два передатчика позволяют вычислить точную позицию

Рис. 2.3. Два передатчика позволяют вычислить точную позицию,

несмотря на ошибки по времени

Навигационный приемник измеряет время, за которое радиосигнал доходит от спутника до объекта, а затем по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света — 300 000 км/с. Если точно определить момент времени, в который спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда он получен, несложно определить время распространения радиосигнала. Умножая скорость распространения сигнала на время в секундах, получаем расстояние до спутника.

Наземные часы должны быть весьма точны, так как свет распространяется чрезвычайно быстро. Например, если бы спутник GPS находился прямо над головой, потребовалось бы всего около 65 мс для прохождения радиосигнала от спутника до наземного приемника (рис. 2.4).

Глобальная навигационная спутниковая система строится с применением способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты. Относительная нестабильность стандарта частоты бортового синхронизирующего устройства навигационного спутника ГЛОНАСС (1—5) • 10-13 с за сутки [3].

Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики ГНСС обратились к следующей идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время. Иными словами, приемник генерирует свой

Показания часов спутника Показания часов спутника

и приемника 0 мс и приемника 65 мс

О мс 0 мс

Время передачи сигнала (Start time)

Время приема сигнала (Stop time)

_1_ Сигнал

Рис. 2.4. Определение транзитного времени сигнала

внутренним код в то же самое время, что и передатчик спутника, т.е. в идеале он должен точно дублировать код спутника.

Далее остается принять код от спутника и посмотреть, как давно приемник сгенерировал тот же код. Для этого приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью.

Преимуществом использования кодовых посылок (кодовых последовательностей) является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Система ГНСС использует способ определения местоположения по дальности до ориентиров-спутников, которые находятся с помощью псевдослучайного кода. Как спутники, так и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными «псевдослучайными последовательностями», которые повторяются каждую миллисекунду.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>