Навигационные системы в автомобильной отрасли

Курсовая работа

По дисциплине: Управление техническими системами

Тема: Навигационные системы в автомобильной отрасли

Содержание

Введение……………………………………………………………......3

1. Система GPS………………………………………………………...4

1.1. История…………………………………………………………….4

1.2 Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника…………………………………………………………………5

1.3 Общие принципы  определения координат с помощью  GPS…….6

2. Глобальная навигационная спутниковая система…………………9

2.1. Как работает система ГЛОНАСС?.................................................11

2.2. Состав системы  ГЛОНАСС………………………………………12

2.3.Орбитальная  структура спутников ГЛОНАСС………………….12

2.4. Спутник ГЛОНАСС……………………………………………....14

2.5  Выведение спутников ГЛОНАСС в орбиту…………………….18

2.6. Наземный  комплекс управления……………………………...…19

2.7. Потребители  системы ГЛОНАСС………………………………19

Заключение…………………………………………………………….20

Список литературы  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     В данном реферате рассматривается ГЛОНАСС  – Глобальная навигационная система, ее состав и принцип действия. А  так же история развития системы глобального позиционирования, общий принцип определения координат с помощью GPS.

     Системы позиционирования позволяют повысить производительность в полевой геофизике: камеральных, полевых и геодезических  работ. Новые системы управления транспортом, разработанные за последние годы позволяют оператору видеть созданный компьютером объект и обновлять информацию о нем. Это все и многое другое принесли разработки последних лет в геодезию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. СИСТЕМА GPS

     1.1 История 

     Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging - навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

     Первые  шаги по развертыванию навигационной  сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в  работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).

     Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало  решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA - selective availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров). 
 
 
 

     1.2 Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. 

     Попробуем разобраться в общих чертах, как  устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.

     Дальнометрия  основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения  радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.

     Каждый  спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот - L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code - точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).

     Период  повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.

     Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация  часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность  может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).

     Кроме самих навигационных сигналов, спутник  непрерывно передает разного рода служебную  информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых "альманах", содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.  

     1.3 Общие принципы определения координат с помощью GPS. 

     Основой идеи определения координат GPS-приемника  является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией.

     Если  известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой  точке сферы радиусом А, описанной  вокруг спутника). Пусть известна удаленность  В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится где-то на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

     Однако  в жизни все не так просто. Приведенные  выше рассуждения были сделаны для  случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

     Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения  соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

     Следует отметить, что точность определения  координат связана не только с  прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

     Кроме перечисленных, существует еще масса  специальных систем, увеличивающих  точность навигации, - например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

     После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

     Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет  режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS - Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников - один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется "базовым", а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при "оффлайновой" обработке данных, например, на компьютере.

     Обычно  в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания "НавГеоКом" установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции - 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

     Следует заметить, что основными заказчиками  дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы - для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

     В заключение части, повествующей о "теоретических" аспектах функционирования GPS, скажу, что  Россия и в случае с космической  навигацией пошла своим путем  и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы. 
 

2. Глобальная навигационная спутниковая система

 

     Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) - это сумма уникальных технологий, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). В создании системы ГЛОНАСС принимали участие: