Для определения местоположения в настоящее время наиболее широкое применение нашли глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): российская ГЛОНАСС и американская GPS .
В первую очередь это связано с доступностью и миниатюризацией устройств навигации. Персональный навигатор сегодня стал таким же обыденным устройством, как мобильный телефон или компьютер.
Кроме того, ГНСС обладают высокой точностью определения навигационных параметров и имеют глобальное покрытие.
Принцип работы ГНСС
Принцип определения местоположения потребителя довольно прост, как все гениальное. Зная местоположения спутников (информация содержится в навигационном сигнале спутника) и расстояние до них можно путем несложных алгебраических вычислений однозначно определить свое местоположение в некоторой трехмерной системе координат. В идеале, чтобы получить три координаты потребителя, достаточно знать информацию о трех навигационных космических аппаратах (НКА).
Однако, не все так просто оказывается на практике. Все дело в том, что в ГНСС реализован принцип беззапросных измерений дальности, т.е. определяется время прохождения информационного сигнала от спутника до потребителя. А для того, чтобы это время определить с высокой точностью необходимо синхронизировать часы спутника и навигационной аппаратуры потребителя (НАП). В связи с этим для нахождения координат и рассогласования часов НАП и ГНСС необходимо знать параметры не менее чем о 4-х спутниках.
|
При создании ГНСС в первую очередь учитывались такие требования, как глобальность, всепогодность, непрерывность и круглосуточность, помехозащищенность, компактность, доступность. Обеспечить выполнение всех перечисленных требований, а также достижение высоких эксплуатационных характеристик позволяет совместное функционирование трех основных сегментов: космического; наземного; пользовательского. |
| Узнайте больше
Актуальную информацию о состоянии группировки ГЛОНАСС можно узнать на сайте Информационно-аналитического центра координатно-временного
|
Космический сегмент ГЛОНАСС представляет собой орбитальную группировку из 24 НКА, расположенных в трех плоскостях по 8 спутников в каждой с высотой орбиты 19100 км и наклонением - 64,8°. Кроме того, в каждой плоскости должен находиться один резервный спутник. НКА излучают радиосигналы на собственных частотах.
Наземный сегмент состоит из космодрома, командно-измерительного комплекса и центра управления.
Ну и наконец сегмент, представляющий наибольший интерес потребителю, – пользовательский, в который входит НАП.
ГНСС сегодня
Современные отечественные приемники гражданского применения, устанавливаемые на НАП транспортных средств, работают по сигналам ГЛОНАСС (L1-диапазон, СТ-код) и GPS (L1, С/А-код) и позволяют определять (по уровню вероятности 0,95 при значении геометрического фактора не более 3):
координаты в плане с погрешностью не более 10 м и по высоте – не более 15 м;
плановую скорость с погрешностью не более 0,15 м/с.
На сегодняшний момент применение односистемных приемников ГНСС в НАП (только ГЛОНАСС или только GPS) практически сошло на нет. В первую очередь это связано с тем, что в условиях современного городского ландшафта неизбежно затенение радиовидимости спутников. Примером является работа НАП вблизи стены дома, когда физически половина небосвода закрыта. В конечном счете это приводит к тому, что возможности по точному позиционированию объекта снижаются, а иногда становится невозможным. Использование двух навигационных систем улучшает и расширяет возможности для потребителей.
В таких условиях использование ГЛОНАСС совместно с GPS существенно повышает надежность и достоверность работы НАП по определению координат.
Автомобильный или туристический навигатор уже давно стал привычным делом для многих водителей и любителей путешествовать. О том, какие преимущества получает человек, у которого на переднем стекле установлен навигатор, говорить не нужно - это умное устройство само подберет оптимальный маршрут, подскажет когда начинать перестраиваться и сколько осталось до ближайшего перекрестка. Благодаря такой функции, как «Дорожные пробки», вы всегда будете знать, по каким маршрутам в данный момент лучше не ехать.
Говорить можно еще много обо всех этих умных опциях, однако мало кто задумывается над тем, какой труд прошлось проделать конструкторским бюро, полчищам инженеров и ученых, чтобы вы могли спокойно ездить даже по незнакомым вам маршрутам и городам.
ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система
На сегодняшний день есть две глобальных навигационных системы - ГЛОНАСС и GPS. Еще можно вспомнить китайскую региональную навигационную систему Бэйдоу, которая покрывает территорию Китая, Монголии, Индии, Кореи и часть Юго-Восточной Азии, также она немного затрагивает Русский Дальний Восток, Японию, Пакистан и Казахстан.
Готовится к запуску еще ряд региональных программ, например более продвинутая китайская «Компасс» или европейская «Галилео».
Уже давно ведется спор о том, какая из этих систем более точная и надежная. . В принципе, все эти системы геопозиционирования работают по одной схеме, благодаря эффекту допплеровского смещения, а качество приема и точность показаний зависят от количества спутников на орбите.
Мы можем сказать только одно - американская GPS покрывает весь Земной Шар, потому что на орбите на 2013 год был 31 навигационный спутник.
ГЛОНАСС стремится к такому показателю и планируется, что между 2015-2017 годами догонит его и по точности и по площади покрытия. На данный же момент численность спутников составляет 24 штуки, при этом их орбиты ориентированы таким образом, чтобы сигнал лучше всего принимался на территории России.
Планируется также, что ГЛОНАСС и Бэйдоу объединят свои усилия, то есть площадь покрытия и точность увеличатся в разы.
История ГЛОНАСС
Началом создания проекта глобальных систем геопозиционирования можно считать 1957 год, когда был запущен первый советский Спутник. Правда, открытие принадлежит американцам, поскольку они следили за сигналами со Спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Допплера можно определить, приближается ли к вам спутник или отдаляется.
Обычно данный эффект описывают так: достаточно просто определить по звуку свистка поезда, в каком направлении он движется - к вам или от вас.
Эффект Допплера в свое время помог известному астроному Эдвину Хабблу установить, что наша Вселенная состоит из сотен миллиардов галактик, которые разлетаются в разные стороны и Вселенная расширяется.
Понятно, что размышлять о судьбах Вселенной, Большом Взрыве и братьях по разуму очень занимательно, но открытием воспользовались военные желающие создать систему, которая помогла бы определить точное местонахождения любого объекта на поверхности Земли. И американцы и Советы принялись вести исследования в данном направлении. Программа США начала реализоваться в 60-х, в то же время, что и в СССР.
Первый спутник будущей системы ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а к 1991 году это уже была вполне работоспособная система, насчитывающая 12 спутников. Но с падением СССР проект отошел на второй план и на орбите в рабочем состоянии оставалось всего 6 космических аппаратов.
Ну и только с приходом Путина было решено возобновить программу, а в 2007 году уже можно было покупать навигаторы, которые работают как с GPS так и с ГЛОНАСС. В принципе Россия не сильно отстала от США, так как GPS-навигаторы для авто появились только в 2005 году. Хотя военные обеих стран пользовались системами геопозиционирования задолго до того, как они стали доступны широкой общественности.
Следующим шагом в глобальном продвижении ГЛОНАСС стало появление смартфонов, работающих с этой системой. Начиная с iPhone 4S Apple сделала доступной ГЛОНАСС для покупателей. Поддерживают ГЛОНАСС Samsung Galaxy, HTC One, Nokia (а потом и Microsoft Lumia), Sony Xperia, LG, Huawei, Xiaomi, Garmin eTrex и десятки других.
Что точнее GPS или ГЛОНАСС?
Если речь идет о сверх точном определении координат, то обе системы не являются идеальными. Результаты многочисленных испытаний в разных уголках Планеты, показывают, что ГЛОНАСС все же отстает:
- ГЛОНАСС - погрешность составляет 3-6 метра;
- GPS - 2-4 метра.
Однако, для автолюбителей такие ошибки не являются слишком уж важными, к тому же навигаторы, предлагаемые в России и Европе, работают с обеими системами, из-за чего их точность возрастает, поскольку одновременно в зоне видимости приемника находится от 12-ти до 15-ти космических аппаратов.
Точность же во многом зависит от количества каналов приема самого навигатора, которое в идеале должно составлять 60, при этом устройство может одновременно ловить сигнал от 12 спутников, плюс сигналы отражающиеся от различных поверхностей.
То есть говорить о том, какая система точнее, сегодня не так уж и важно. Но не стоит забывать о том, что данными системами пользуются военные, и поэтому и в GPS и в ГЛОНАСС предусмотрено 2 уровня сигналов:
- общедоступные, рассчитанные на гражданских пользователей;
- шифрованные - используются для нужд армии.
Еще один важный момент. Благодаря тому, что ГЛОНАСС спутники находятся на более высоких орбитах, более точное местоопределение получается в северных широтах. Данный факт был подтвержден в Швеции: «Из-за высокой орбиты наше оборудование лучше видит ГЛОНАСС, чем GPS».
Ну и кроме всего прочего, правительство Российской Федерации поддерживает свою систему геопозиционирования тем, что требует устанавливать модули ГЛОНАСС на пассажирские транспортные средства.
Планируется, что к 2017 году ГЛОНАСС догонит своего американского конкурента по точности. Количество спутников будет доведено до 32, что сделает данную систему полностью автономной в любой точке Земного шара. Добиться большей точности можно будет за счет запуска спутников на высокоэллиптические и геосинхронные орбиты.
К 2020 году погрешность в определении координат будет составлять всего лишь 80 сантиметров. Понятно, что такая точность водителям абсолютно не нужна, зато военные получат массу преимуществ перед своим воображаемым противником.
Хочется надеяться, что ГЛОНАСС, как GPS и все остальные подобные системы будут использоваться только в мирных целях.
Видео, о том как работают навигационные системы, в том числе и ГЛОНАСС.
Российская спутниковая система ГЛОНАСС предназначена для точного определения координат объекта, находящегося над поверхностью Земли. Тем же целям служат две другие похожие системы: GPS (США), Galileo (Евросоюз). Раньше всего начала действовать группировка спутников GPS, затем, в 1993 году, была официально принята в эксплуатацию российская спутниковая система. Сейчас, по состоянию на начало 2015 года, сигнал от спутников ГЛОНАСС уверенно воспринимается в любой точке земного шара. Дальше приводится сравнение двух глобальных навигационных систем, российской и американской.
На территории РФ для осуществления спутникового контроля транспорта допустимо пользоваться любой из указанных систем – GPS или ГЛОНАСС. Наилучшая точность определения координат притом будет получена при использовании сигналов GPS и ГЛОНАСС одновременно.
Навигационные спутники России и США
Применяя каждую из навигационных систем по отдельности, можно рассчитывать на следующие параметры точности:
- GPS (координаты): с наземной коррекцией – менее 1 м, реальная точность – 2,6 м (спутники модели KA Bloc IIR).
- ГЛОНАСС (координаты): реальная точность – 5-10 м (спутники «Ураган-М»), для спутников «Ураган-К» точность составляет 1-3 м, а с наземной коррекцией среднее значение равно 4,5 м.
- GPS (скорость): ошибка может составлять до 10 м/с.
- ГЛОНАСС (скорость): ошибка составляет до 15 м/с (спутники «Ураган») либо она не превосходит 0,05 м/с (спутники «Ураган-М»).
С использованием системы ГЛОНАСС мониторинг транспорта осуществляется по тем же алгоритмам, что с применением любых других аналогичных систем. Приемник в абонентском устройстве считывает координаты, блок управления их анализирует и отправляет сообщение по каналу наземной связи (GSM/GPRS).
Так работает спутниковая навигация
Важно знать, что когда автомобиль «теряет» базовую станцию GSM, алгоритм спутниковой навигации перестает функционировать корректно.
Оператор будет видеть на экране неподвижную метку, а в действительности машину могут перемещать. Управляющий блок притом сможет определять координаты по спутникам без ошибок. Но возможность отправлять сообщения у охранной системы будет отсутствовать. Если требуется выполнять слежение в режиме реального времени, необходимо помнить, что спутниковый мониторинг транспорта не может осуществляться без использования сотовой связи.
Абонентские устройства, приемники ГЛОНАСС
Понятно, что любая система мониторинга будет обладать максимальной помехоустойчивостью и точностью, если определение координат в ней ведется по спутникам GPS и ГЛОНАСС одновременно. Группировка спутников GPS начала действовать раньше других и поэтому сначала абонентские устройства воспринимали только сигнал GPS. Затем появились микросхемы, корректно воспринимающие сигналы от спутников ГЛОНАСС. На третьем шаге на рынок вывели универсальные чипы, совместимые с 2-мя или 3-мя информационными протоколами сразу.
Приемник спутникового сигнала NV08C
Среди отечественных разработок, отвечающих последнему требованию, можно назвать микросхему NV08C-MCM-M, выпускаемую с 2009 года.
Универсальный модуль компании Starline
Владелец цифровой сигнализации Starline любой из современных моделей имеет право приобрести и установить дополнительный модуль GSM-связи. Этот модуль выполнен в виде печатной платы, монтируемой внутрь основного блока.
Модульная архитектура Starline
Когда в основной блок будет установлен модуль GSM, дополнительно к специальному разъему подключается блок навигации, наделенный приемником сигналов ГЛОНАСС/GPS:
Навигационный блок Starline
Можно осуществлять спутниковый мониторинг транспорта, не используя при этом охранные функции. В таких случаях подходит более доступное оборудование – маяк Starline М17, отслеживающий координаты и скорость.
Комплектация навигационного маяка
На начальном этапе система мониторинга может быть построена на основе следующего оборудования: навигационные маяки, один сотовый телефон и одно вычислительное устройство с выходом в Интернет. Телефон используется для управления маяками при помощи SMS. Но в действительности, маяк – достаточно примитивное устройство, неспособное отслеживать уровень топлива и некоторые другие параметры. Каждое такое устройство со временем можно заменить более сложным оборудованием – навигационным терминалом либо тахографом. Так можно будет построить, в том числе, действующую систему контроля топлива.
Объяснение понятий терминал и тахограф
В функции спутникового мониторинга автотранспорта может входить контроль следующих параметров: заряд АКБ, уровень топлива в баке и т.д. Помимо координат, все данные могут быть считаны с шины CAN. Если же подключение к CAN-шине вы использовать не собираетесь, можно установить дополнительные датчики, подключив их к единому электронному блоку. В такой блок может быть встроен и модуль навигации.
Тахограф с навигацией, грузовая техника
Если электронный блок может только «запоминать» данные, но не отправлять их по каналу GSM, то устройство называется тахографом. А тахограф, оборудованный действующим GSM-модулем – это терминал.
Любая система контроля транспорта, если в ней используются именно терминалы, может быть дополнена «тревожными кнопками». Водитель нажимает кнопку, и оператор получает сообщение в течение 40-ка секунд.
Схема подключения тревожной кнопки
Понятно, что слежение за транспортом необязательно должно осуществляться в режиме реального времени. Данные можно просто записывать, и анализировать их в конце рабочего дня. Но наличие интерактивного режима несет свои преимущества. Одно из них указано выше (возможность установить «кнопку тревоги»). Право выбора лучше предоставить владельцу.
Казалось бы, не так важно, какая именно система навигации будет использоваться – ГЛОНАСС или GPS.
На грузовики закон требует устанавливать тахографы, но подключать эти устройства к навигационному модулю вовсе не обязательно. Однако продолжение развития программы ЭРА-ГЛОНАСС наводит на определенные мысли. Долгое время, в том числе и в нашей стране, приоритет отдавали навигации по спутникам GPS. Теперь ситуация изменилась кардинально.
Особенности ГЛОНАСС и GPS
Точность определения координат с использованием спутников ГЛОНАСС в 2015 году будет удвоена. Грубо говоря, значение ошибки для большинства случаев понизится до 1,4 метра.
Параметры координат, полученные с навигатора
Когда в зоне видимости абонентского устройства остается менее 3-х космических аппаратов, по назначению не может использоваться ни одна система навигации. Поэтому лучше, чтобы в абонентском оборудовании был смонтирован универсальный модуль, воспринимающий сигналы ГЛОНАСС и GPS одновременно.
Любая система слежения за транспортом, если в ней используется связь GSM, может определять координаты по сигналу базовых станций. Правда, погрешность в таком случае составляет 400-500 м.
Область вероятного нахождения объекта
Режим, о котором идет речь, называется «LBS», а реализован он почти в каждом GSM-терминале. Таким образом, в современных системах мониторинга транспорта используются данные, получаемые из трех источников информации:
- Сигнал GPS;
- Сигнал ГЛОНАСС;
- Радиоволны, исходящие от нескольких станций GSM.
Точность позиционирования, проводимого с использованием глобальной спутниковой навигации, будет повышаться едва ли не ежегодно. Погрешность для российской системы в 2020 году станет равна 0,6 м. Можно сделать вывод, что применение спутникового мониторинга автотранспорта на практике – это перспективная технология, которая будет востребована в будущем. А правильно использовать новые технологии должен уметь каждый.
Следящее оборудование и методы обмана
Основы принципов спутниковой навигации были заложены ещё в пятидесятые годы, после запуска первого советского искусственного спутника. Наблюдая сигнал, транслируемый спутником, группа американских учёных под руководством Ричарда Кершнера обнаружила, что частота принимаемого сигнала возрастает с приближением спутника и, напротив, уменьшается по мере его отдаления (эффект Доплера). Такое наблюдение натолкнуло ученых на мысль о том, что точное знание расположения наземного объекта делает возможным измерение месторасположения и скорости спутника. Соответственно, точное знание положения спутника позволяет определить координаты и скорость перемещения наземного объекта.
Тем не менее, впервые практическая реализация идей американских специалистов и ученых СССР, занятых в разработке теории позиционирования, состоялась только в 1982 году после запуска первого спутника, которому предстояло войти в глобальную систему позиционирования (GLONASS).
ГЛОНАСС
ГЛОНАСС - одна из двух существующих глобальных систем спутниковой навигации, начало разработок которой было положено еще в 1976 году, после чего, в связи с отсутствием достаточного финансирования, программа была свернута. Полноценная реализация и запуск проекта ГЛОНАСС состоялись в 2009 году, после развала Союза. На сегодня российский ГЛОНАСС и американская GPS являются основными действующими системами глобальной спутниковой навигации.
Основное назначение ГЛОНАСС - оперативная доставка навигационно-временной информации пользователям наземного, космического, воздушного и морского базирования. Обеспечение доступа к гражданским сигналам GLONASS предоставляется потребителям на бесплатной основе без любых ограничений в любой точке земного шара. Обеспечение обмена информацией осуществляется 24-мя спутниками, перемещающимися по 3-м орбитальным траекториям на высотах порядка 19100 км. Основанная на тех же физических принципах, что и американский аналог ГЛОНАСС - система NAVSTAR GPS, - ГЛОНАСС обеспечивает погрешность измерений в 3-6 метров. GPS работает несколько точнее, обеспечивая доступ сигнала с точностью - 2…4 м.
Развитие проекта ГЛОНАСС находится в юрисдикции агентства «Роскосмос».
GPS
GPS (Джи Пи Эс, англ. Global Positioning System) - американская спутниковая система навигации, транслирующая полезные данные о времени и расстояниях и позволяющая определить месторасположения объекта в пределах глобальной координатной системы WGS 84. Разработка системы, ее реализация и ввод в эксплуатацию в 1993 году проводились согласно инструкциям Министерства обороны США.
Сегодня система GPS-навигации, как и ГЛОНАСС, доступна для использования гражданскими потребителями. Для обеспечения работы информационного канала достаточно приобрести GPS-навигатор или аналогичный аппарат с GPS-приёмником.
ГЛОНАСС или GPS?
В отличие от системы слежения NAVSTAR GPS, спутники, обеспечивающие работу системы GLONASS, не демонстрирует резонанса (работают асинхронно) с вращением Земли. Благодаря этому удается достичь большей стабильности транслируемого сигнала. Еще одно преимущество системы ГЛОНАСС раскрывается благодаря правильно подобранным параметрам орбиты (высоте, углу наклона и периоду): GLONASS способен обеспечивать надежную трансляцию сигнала в южных и полярных широтах - там, где трансляция GPS-сигнала оказывается крайне затруднена или невозможна.
Несмотря на ряд серьезных практических преимуществ ГЛОНАСС, реальная ситуация на рынке услуг заставляет большинство пользователь все же пока отдавать предпочтение GPS. В первую очередь это связано:
- со значительно более доступной стоимостью коммуникаторов c поддержкой GPS;
- полнейшим отсутствием (в отличие от GPS-сервисов) программных продуктов, позволяющих устанавливать ГЛОНАСС на коммуникаторах и смартфонах;
- внушительному потенциалу программного обеспечения для GPS-систем навигации, позволяющему значительно расширить спектр применения последних.
GPS способна обеспечить доступ к полезным данным в любом месте земного шара (за исключением области Приполярья) практически в любых погодных условиях.
Общий алгоритм работы системы GPS и ГЛОНАСС
- Основная идея;
- Определение расстояния до спутников;
- Синхронизация по времени;
- Определение положения спутника на орбите;
- Корректировка погрешностей.
Основная идея
С появлением искусственных спутников Земли и установкой на них передатчиков радиосигнала гигагерцовой частоты, появилась возможность принимать от них этот сигнал над достаточно обширной территорией. Если измерить точное расстояние до 3-х спутников, то при совмещении 3-х сфер, радиус которых и есть расстояние до спутников, они пересекутся в единственной точке, которая и будет вашим местоположением. Дальнейшие расчеты показали, что для гарантированного наблюдения 3-х спутников с территории любой точки Земли, необходимо запустить 18 передатчиков. А для дополнительного определения положения над поверхностью Земли и точной корректировки времени необходимы данные еще с одного спутника. Соответственно 24 спутника будет достаточно для полного определения координат в любой точке земного шара.
Ударная сила №115: «Космический навигатор»
Определение расстояния до спутников
Из школы мы знаем, что для определения расстояния необходимо скорость объекта умножить на время. Соответственно, зная скорость распространения сигнала, а в вакууме это скорость света, и время его прохождения можно легко рассчитать путь, те есть расстояние до спутника. Чтобы определить промежуток времени необходимо знать точное время подачи и приема сигнала. Для этого на спутнике устанавливаются очень точные атомные часы, и время подачи сигнала записывается и передается отдельным пакетом данных.
На земле навигационный приемник, принимая сигнал, засекает время приема и отнимает от него полученное отдельно время подачи сигнала. Полученный отрезок времени и будет временем прохождения сигнала от спутника до приемника. После умножения данного временного отрезка на скорость света и получится искомое расстояние до спутника.
Система GPS слежения
Синхронизация по времени
Итак, для определения местоположения теоретически необходимо провести измерения расстояний до трех любых спутников. Но в бытовых приемниках навигационных сигналов стоят обычные кварцевые часы, имеющие определенную погрешность. Поэтому для того, чтобы на практике правильно определить местоположение необходимо произвести еще одно измерение до четвертого спутника. Имея четыре измерения расстояний можно с помощью специально созданной компьютерной программы синхронизировать время спутников со временем приемника и определить точное местоположение.
Определение положения спутника на орбите
При проведении расчетов очень важно знать точное место спутника в момент подачи радиосигнала. С помощью компьютеров производится расчет точного положения спутника на орбите через заданные очень маленькие промежутки времени. Эта информация заноситься в память компьютера установленного на спутнике и передается в излучаемом им сигнале.
Корректировка погрешностей
- При любых измерениях существует вероятность ошибок . Источниками ошибок в нашем случае являются преимущественно два фактора: погрешности измерения времени и прохождения радиосигнала через ионосферу Земли.
- Погрешности при измерении времени будут всегда . Просто невозможно сделать часы, сохраняющие точность на протяжении всего времени эксплуатации – все равно понадобиться корректировка набегающей погрешности измерения.
- Еще одно узкое место при расчете расстояния – наличие у Земли ионосферы. Через ионосферу по законам физики радиосигнал не может распространяться со скоростью света, поэтому формула определения пути на этом участке будет рассчитываться неправильно.
- Для того чтобы минимизировать влияние этих факторов вводят так называемые корректировочные коэффициенты , с помощью которых удается значительно улучшить точность вычисления местоположения.
Существующие навигационные системы
В настоящее время есть всего две полностью глобальные системы – GPS и ГЛОНАСС. Физические принципы работы их полностью идентичны, а системы различаются только высотой орбит эшелонов спутников и частотами используемых радиосигналов, кроме того обе системы оснащены дополнительным более точным кодированным радиосигналом используемым только для военных целей. Навигационная система – это комплекс высокотехнологичных, дорогих и очень сложных в обслуживании устройств, располагают которыми пока только США и Россия.
