Спутниковые системы ГЛОНАСС и GPS

 

 

 

 

 

 

 

 

Спутниковые системы ГЛОНАСС и GPS

 

 

 

 

 

 

 

Juhendaja: N.Härsing

 

 

 

 

 

Основные принципы работы системы ГЛОНАСС

Глобальная Навигационная  Спутниковая Система разработана в начале 80-х годов и принадлежит Российским Аэрокосмическим Силам. Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1(1.6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1.2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

• Горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99.7%).
• Вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99.7%).
• Составляющих вектора скорости с точностью 15см/с (вероятность 99.7%)
• Точного времени с точностью 0.7 мкс (вероятность 99.7%)

Эти точности можно значительно  улучшить , если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен , в основном, для потребителей МО РФ , и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени  требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее  чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приёме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приёмник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приёмнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.

Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приёмника , при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребляется к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот НКА ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода , однако, перспективные НКА ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.

Служебная информация накладывается  на узкополосный дальномерный сигнал путём инвертирования открытого  дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек; первые 0.3 сек предназначены для метки времени, остальные, 1.7 сек предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек). Пять кадров навигационной информации объединяются в супер кадр. В составе каждого кадра передаётся полный объём цифровой информации, относящейся к данному НКА и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передаётся одним суперкадром. Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:

• Признак достоверности информации в кадре.
• Время начала кадра.
• Эфемеридную информацию – координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to.
• Частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ.
• Время to (кратно 30 мин.от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотновременные поправки.

Альманах системы содержит:

• Время, к которому относится альманах.
• Параметры орбит ,номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ.
• Поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны (единой системы времени).

В <=””acronym””> не предполагается введение селективного доступа. Одновременно, за счёт частотного разделения каналов ГЛОНАСС обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность. Согласно статистики, в годы солнечной минимальной активности в ГЛОНАСС по 6 НКА по открытому дальномерному коду СКО ошибок определения широты и долготы составляет 20-28 м, а высоты 40-52 м, что в 2.5 раз меньше, чем для GPS при тех же условиях.

 

 

Принцип работы системы  GPS

Основу системы составляет сеть ИСЗ развёрнутых в около  земной орбите и равномерно «покрывающих»  всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ  расчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS –приёмником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

В GPS-приёмнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность „спутник-приемник». Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством , что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так как для определения местоположения нужно знать три координаты ( имеются в виду плоские координаты X,Y и высоту H), то в приёмнике вычисляются расстояния до трёх различных ИСЗ. Очевидно , при данном методе радионавигации ( он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приёмника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ  и приёмника входят эталонные часы (стандарты частоты), причём точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому «системному времени». Эталон времени GPS –приёмника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приёмника. По этой причине в приёмнике вычисляется  искажённое значение дальности до спутника или «псевдодальность». Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приёмник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приёмника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трёх, а до четырёх спутников. В результате обработки этих измерений в приёмнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.

Если приёмник установлен на движущемся объекте наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов , то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом , для выполнения необходимых навигационных расчётов необходимо обеспечить постоянную видимость с неё, как минимум, четырёх спутников. После полного развёртывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS приёмники имеют от 5 до 12 каналов, т.е они могут одновременно принимать сигналы от 5 до 12 ИСЗ. Приём сигнала более чем от четырёх спутников естественно позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Преимущества  и недостатки системы ГЛОНАСС  и GPS

Принцип разделения сигналов. Как было сказано выше –ГЛОНАСС применяет разделение сигналов от спутников по частотам (FDMA), т.е. каждый спутник работает на своей персональной частоте. А GPS применяет принцип CDMA-кодовое деление сигналов, и все спутники системы работают на одной.

Рассмотрим что лучше  FDMA или CDMA. Наверное для простых обывателей разницы нет, для них самое главное , чтобы система стабильно работала и давала ожидаемую точность. А вот с точки зрения военных , эти системы разные. Так как в GPS сигнал от спутников идёт на одной частоте, то внести помеху в этот сигнал довольно легко. В Англии провели такой эксперимент, взяли приёмник GPS с него сняли сигнал , который идёт со спутника и тут же его, без обработки, выдали через передатчик в эфир. Частота передатчика совпала с частотой на которой работает система GPS, при этом, нормально работающий прибор GPS, который находился рядом , начинал работать с большими погрешностями. Также американцы жаловались, что в Афганистане их ракеты не смогли точно поразить цель, в виду того, то «кто-то глушил» их сигнал GPS. Все изложенные факты говорят о том, что систему GPS легко в вывести из строя, т.е. заставить работать с большой погрешностью.

В виду того, что в ГЛОНАСС  все спутники работают на различных  частотах, то нарушить работоспособность  такой системы сложнее, так как  помехи придётся вносить сразу в 24-х частотных диапазонах. Но это преимущество ГЛОНАСС является и его недостатком. Известно, что при передаче сигнала весь сигнал состоит из полезного сигнала , который передаётся на несущей частоте и других составляющих сигнала (так называемые гармоники), которые повторяют форму сигнала с меньшей амплитудой, но на частотах кратных несущей частоте. В нашем случае гармоники являются паразитными сигналами, так как они вносят помеху в сигнал, для которого основная передающая частота будет совпадать с частотой гармоники. Для этих целей разносят частотный диапазон передающих устройств, таким образом, чтобы они не мешали друг другу. Так вот, вероятность того , что такие «паразитные сигналы» будут влиять на работу системы ГЛОНАСС выше или ГЛОНАСС будет мешать работе других систем. В принципе это и случилось , на сегодняшний день существует необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе, как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии.

Погрешность определения  времени. Процесс измерения - сравнение  с эталоном. Современные измерительные  системы , или любой прибор, который что-либо измеряет, построен таким образом, что ему не надо знать абсолютное значение эталона. Для измерения прибору необходимо такое понятие как стабильность (измерение во времени) этого эталона. Например, абсолютное значение эталона времени в США и России расходится на две секунды, но стабильность этого эталона составляют наносекунды. В спутниковых системах измерение расстояния до спутника производится при помощи стабильных атомных часов, которые находятся на борту спутника. От стабильности (точности) этих часов зависит и точность измерения расстояния до спутника, а следовательно , и точность расчёта координат. И что мы видим, точность (стабильность) часов на борту спутника GPS, для гражданского диапазона L1, выше в три раза , чем у часов спутников ГЛОНАСС. Следовательно, и расчётная точность определения координат в системе GPS будет заведомо выше.

Система отчёта пространственных координат, для ГЛОНАСС это-ПЗ-90, для GPS- WGS-84, что это означает для простого обывателя. Земной шар, на котором мы живём, не является идеальной фигурой шара, учёные – математики США и России создали две разные математические модели , описывающие неровности нашего нашего земного шара, по которым ведётся расчёт координат. Т.е. расстояние до спутников в GPS и ГЛОНАСС мы измеряем по одному принципу, а вот расчёт фактических координат происходит по разным формулам. Какая математическая модель точнее или лучше сказать трудно, но существует сложность пересчёта данных между системами ГЛОНАСС и GPS, из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат , по некоторым оценкам на сегодня, погрешность пересчёта составляет порядка 20 метров.

Сотрудники шведской компании Swepos, обслуживающие общенациональную сеть спутниковых навигационных станций , признали преимущество российской системы навигации ГЛОНАСС над американской GPS, сообщает Reuters. По словам Бо Йонссона, ГЛОНАСС обеспечивает более точное позиционирование в северных широтах. «Российские спутники располагаются выше, чем спутники GPS, поэтому наше оборудование видит их лучше»,-объяснил Бо Йонссон, который также добавил, что услугами ГЛОНАСС пользуется более 90% от числа всех клиентов компании. Стоит так же заметить, что Swepos стала первой зарубежной компанией, признавшей преимущество ГЛОНАСС над GPS.