Применения GPS/ГЛОНАСС

М.Р. БОГДАНОВ





                ПРИМЕНЕНИЯ
                GPS/ГЛОНАСС








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

   М.Р. Богданов
     Применения GPS/ГЛОНАСС: Учебное пособие / М.Р. Богданов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 136 с.
     ISBN 978-5-91559-109-6

     Учебное пособие посвящено вопросам использования спутниковых радионавигационных систем (СРНС). В доступной форме излагаются принципы построения систем ГЛОНАСС/GPS, рассматриваются методы решения навигационной задачи. Обсуждаются характеристики ГЛОНАСС/GPS, влияющие на области их применения в тех или иных отраслях народного хозяйства, а также устройство современных приемников СРНС. Подробно разобраны применения СРНС в авиации, на транспорте, в геодезии, при строительстве. Рассматриваются социальные аспекты СРНС в жизни общества.
     Для студентов и преподавателей технических специальностей, инженеров-разработчиков и практиков.






















ISBN 978-5-91559-109-6

    © 2012, М.Р. Богданов
    © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ










    Введение................................................... 7

    Глава 1
    ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС........................................9
        1.1. История развития системы ГЛОНАСС ................. 9
        1.2. История развития системы GPS (по данным сайта Wikipedia)........................... 14
        Литература............................................ 18

    Глава 2
    ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ................................. 19
        2.1. Структура спутниковых радионавигационных систем... 19
        2.2. Шкалы времени.................................... 20
            2.2.1. Астрономические шкалы и единицы времени ... 20
            2.2.2. Атомные шкалы и единицы времени............ 21
            2.2.3. Универсальные шкалы времени и шкалы, используемые в спутниковой радионавигации ..................... 22
        2.3. Системы координат ............................... 23
           2.3.1. Декартовы и сферические координаты.......... 24
           2.3.2. Земная геоцентрическая система координат.... 26
        2.4. Параметры орбиты спутников........................29
           2.4.1. Параметры орбиты спутников GPS.............. 37
                2.4.1.1. Расчет трассы спутника .............. 38
        2.5. Зоны и время видимости спутников ГЛОНАСС/GPS..... 40
           2.5.1. Угол маски ................................. 40
           2.5.2. Зона обзора ................................ 42
           2.5.3. Площадь обзора.............................. 44

—1 Оглавление

           2.5.4. Условие видимости спутников ............. 45
           2.5.5. Время наблюдения......................... 47
       Литература.......................................... 50

    Глава 3
    РЕШЕНИЕ НАВИГАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ........................... 51
       3.1. Дальномерный метод определения координат потребителя........................................ 51
       3.2. Определение координат потребителя в декартовой системе координат.................................. 55
       3.3. Определение геоцентрической широты, долготы и высоты........................................... 57
       3.4. Определение геодезической широты, долготы и высоты. 58
       Литература.......................................... 60

    Глава 4
    ДОСТУПНОСТЬ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ................................................. 61
       4.1. Факторы геометрического снижения точности...... 61
       4.2. Мгновенная доступность......................... 68
       4.3. Интегральная доступность....................... 69
       4.4. Прогноз доступности............................ 70
       4.5. Сравнение доступности систем ГЛОНАСС и GPS. Совместное использование ГЛОНАСС     и GPS ........ 74
       4.6. Зависимость геометрических факторов снижения точности от количества доступных спутников......... 78
       Литература.......................................... 79

    Глава 5
    ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ТОЧНОСТЬ НАВИГАЦИОННО-ВРЕМЕННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ..................... 80
       5.1. Погрешности определенияпсевдодальности......... 80
       5.2. Погрешность определения псевдоскорости......... 81
       5.3. Влияние среды распространения.................. 82
       5.4. Влияние релятивистских и гравитационных эффектов... 82
       5.5. Влияние многолучевого распространения сигнала.. 84
       5.6. Погрешности, вносимые навигационным приемником..... 84

Оглавление —I 5

    5.7. Погрешность за счет эфемеридного обеспечения......... 85
    5.8. Бюджет погрешностей.................................. 85
    Литература................................................ 86

Глава 6 ПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА СРНС...................................... 87
    6.1. Дальномерный код..................................... 88
        6.1.1. Код стандартной точности NAVSTAR............... 89
        6.1.2. Код высокой точности NAVSTAR................... 89
    6.2. Альманах............................................. 90
    6.3. Обработка сигналов в аппаратуре потребителя.......... 91
        6.3.1. Устройство аппаратуры потребителей ............ 92
    6.4. Разновидности приемников спутниковых радионавигационных систем............................... 94
        6.4.1. Кодовые и фазовые измерения ................... 94
             6.4.1.1. Фазовые приемо-индикаторы............... 94
        6.4.2. Одно-, двух- и трехчастотные приемники ........ 94
             6.4.2.1. Многочастотные приемо-индикаторы........ 95
        6.4.3. Одно-, двух- и трехсистемные приемо-индикаторы. 96
             6.4.З.1. Многосистемные приемо-индикаторы........ 96
        6.4.4. Поддержка спутниковых систем дифференциальной коррекции........................................... 97
             6.4.4.1. Приемо-индикаторы с поддержкой спутниковой системы дифференциальной коррекции............... 98
        6.4.5. Корпус......................................... 99
             6.4.5.1. USB-приемники........................... 99
             6.4.5.2. ОЕМ-приемники...........................100
             6.4.5.З. ГЛОНАСС/GPS-трекеры.....................101
        6.4.6. Поддержка автономного контроля целостности (RAIM).102
             6.4.5.1. Приемо-индикаторы с поддержкой автономного контроля
             целостности (RAIM)...............................103
    Литература................................................104

Глава 7
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ СРНС ГЛОНАСС И GPS.................................................105
    7.1. Принцип организации дифференциальных режимов СРНС............................................105
    7.2. Бюджет погрешностей в дифференциальном режиме...........107

—1 Оглавление

       7.3. Области применения дифференциального режима СРНС............................................108
           7.3.1. Морские локальные дифференциальные подсистемы.....109
       Литература...................................................109

    Глава 8
    ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ.......................................110
       8.1. Геокешинг...............................................112
       8.2. Геодезия................................................113
       8.3. Навигация...............................................118
           8.3.1. Авиация...........................................118
           8.3.2. Судовождение......................................120
           8.3.3. Автомобильный транспорт...........................124
       8.4. Контроль................................................125
           8.4.1. Обеспечение безопасности на железной дороге.......125
           8.4.2. Мониторинг автотранспорта и строительной техники .129
           8.4.3. Персональный мониторинг...........................133
       Литература...................................................134

          ВВЕДЕНИЕ










              Навигационные технологии постепенно становятся неотъемлемой частью нашей жизни. Если несколько лет назад GPS-навигатор был дорогой игрушкой, предназначенной для небольшого числа энтузиастов, то в наши дни это — обычный продукт бытовой электроники. Правительство РФ планирует оснащение ГЛОНАСС-навигаторами всех новых автомобилей, производимых в России. Быстрыми темпами происходит оснащение ГЛОНАСС-аппаратурой автомобилей скорой помощи, спецслужб, объектов железнодорожного транспорта. Одним из обязательных условий въезда на территорию строительства Олимпийских объектов в Сочи является оснащенность автотранспортного средства бортовым навигационным оборудованием, работающим в системе ГЛОНАСС/GPS.
       Навигационные системы ГЛОНАСС/GPS предоставляют пользователям новые возможности, позволяют сделать жизнь безопаснее и интереснее. Параллельно происходит взаимопроникновение навигационных технологий в смежные области. Так, недавно появился гибрид сотовой связи и GPS-навигации — Assisted GPS, информация, получаемая через сотового оператора, позволяет ускорить «холодный старт» GPS-приемника, повышает его чувствительность. Существует тенденция оснащения цифровых фотоаппаратов GPS-модулями. GPS-модуль позволяет наделять фотоснимки пространственной привязкой. Microsoft в настоящее время разрабатывает технологию Sensor and Location Platform. В широком смысле предполагается оснастить компьютеры с Windows 7 и выше «органами чувств». Одним из таких «органов чувств» является GPS-приемник. Одним из системных требований для мобильных устройств, поддерживающих операционную систему Windows Phone 7, является наличие GPS-приемника. GPS-приемники также являются важным элементом технологий «расширенной реальности», беспроводных сенсорных сетей и так далее.

—1 Введение

       Для кого написана эта книга?
       Автор надеется, что книга будет интересна студентам технических ВУЗов, интересующихся навигационными технологиями. Для успешного применения ГЛОНАСС/ОР8-технологий необходимо иметь представление о принципах построения спутниковых радионавигационных систем (СРНС). В первой главе приводится небольшой исторический экскурс развития систем ГЛОНАСС и GPS. Во второй главе рассматриваются такие вопросы, как шкалы времени, используемые в СРНС, системы координат и параметры орбиты спутников. Основным предназначением приемо-индика-торов ГЛОНАСС/GPS является определение координат потребителей. В третьей главе обсуждаются методы решения навигационной задачи. На точность определения координат существенное влияние оказывает геометрия спутникового созвездия. Фактору геометрического снижения точности посвящена четвертая глава. В пятой главе рассматриваются источники погрешностей определения вектора состояния потребителя. В шестой главе описывается аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Точность навигационных определений можно существенно повысить с помощью так называемого дифференциального режима. Дифференциальному режиму использования ГЛОНАСС/GPS посвящена седьмая глава. В восьмой главе рассказывается об областях применения спутниковых радионавигационных систем. Перечисляются требования к навигационному обеспечению воздушных, морских и речных судов, наземных объектов. Обсуждается возможность применения ГЛОНАСС/GPS в автомобильном транспорте, геологоразведке, службе точного времени, при строительстве и землеустройстве.

              Благодарности
              Автор выражает искреннюю признательность за доброжелательность и терпение директору книгоиздательских программ Издательского Дома «Интеллект» Соловейчику Льву Федоровичу и доценту ИПОиИТ БГПУ Захарову Александру Васильевичу за ценные консультации в ходе работы над книгой, а также моей жене Ирине за помощь в работе над рукописью.

ГЛАВА


        ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС


1


    1.1.      ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

          Работы в области разработки спутниковых радионавигационных систем (СРНС) начались в Советском Союзе еще до запуска первого искусственного спутника Земли. Так, в период с 1955 по 1957 гг. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А.Ф. Можайского проводились работы под руководством профессора В.С. Шешбашевича по исследованию возможностей радиоастрономических методов в авиации [1].
   В 1958 — 1959 гг. проводились научные исследования по созданию низкоорбитальных спутниковых радионавигационных систем в рамках темы «Спутник». В работе принимали участие Ленинградская военно-воздушная инженерная академии им. А.Ф. Можайского, два морских НИИ, Институт теоретической астрономии АН СССР, Горьковский НИРФИ Институт электромеханики АН СССР. Основное внимание при этом уделялось повышению точности навигационных определений, обеспечению глобальности, и независимости от погодных условий [2].
   В первой половине 1960-х гг. был разработан проект первой советской низкоорбитальной спутниковой радионавигационной системы «Циклон». До начала 70-х гг. проводились испытания, совершенствование, ввод в эксплуатацию, разработка аппаратуры потребителей (АП) и доработка алгоритмов и программ системы «Циклон» и ее модификации «Цикада» [3].
   Первый навигационный спутник «Космос-192» был выведен на орбиту 23 ноября 1967 г. В дальнейшем спутники системы «Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов. Дооснащенные аппаратурой

¹⁰ -V

Глава 1. Исторический экскурс

обнаружения терпящих бедствие космические аппараты «Цикада» образуют систему Коспас. Совместно с американо-франко-канадской системой Сарсат они образуют единую службу поиска и спасения [3].
   В 1979 г. «Цикада» была сдана в эксплуатацию в составе четырех навигационных спутников, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. «Цикада» позволяла потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из навигационных спутников и определять свое местонахождение при продолжительности навигационного сеанса до 5—6 минут [3].
   В ходе испытаний системы «Цикада» было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят ошибки передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемо-индикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников [4].
   Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала [5].
   Большой вклад в повышение точности эфемерид навигационных спутников внесли результаты работ по программе геодезических и геофизических исследований с помощью специальных геодезических спутников «Космос-842» и «Космос-911», которые были выведены на навигационные орбиты. Это позволило уточнить координаты измерительных средств и вычислить коэффициенты согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит [5].
   Среднеквадратическая погрешность определения положения с помощью системы «Цикада» в дальнейшем была доведена до 80—100 м.
   Для оснащения морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются приемо-индикаторы «Шхуна» и «Челн». «Челн» имеет возможность работы со спутниками американской радионавигационной системы «Транзит» [4].