GLONASS és GPS műholdas navigációs rendszerek. 1. rész
E. Povalyaev, S. Khutornoy
A Glonass (globális navigációs műholdrendszer) és a GPS (Global Positioning System) műholdas rádiónavigációs rendszerekről szóló cikksorozatot ajánlunk figyelmébe. A sorozat első cikke a rendszerek felépítésének és működésének kérdéseivel, a fogyasztói berendezések (vevőkészülékek) felépítésével és funkcióival, a navigációs probléma megoldásának algoritmusaival, valamint a rendszerek fejlesztési lehetőségeivel foglalkozik.
Az ókor óta az utazók azon töprengtek: hogyan határozzák meg helyüket a Földön? Az ókori navigátorokat a mozgás irányát jelző csillagok vezették: az átlagos sebesség és az utazási idő ismeretében lehetett navigálni a térben és meghatározni a végállomás távolságát. Az időjárási körülmények azonban nem mindig voltak a kutatók kezében, így nem volt nehéz letérni a pályáról. Az iránytű megjelenésével a feladat jelentősen leegyszerűsödött. Az utazó már kevésbé függött az időjárástól.
A rádiózás korszaka új lehetőségeket nyitott az ember előtt. A radarállomások megjelenésével, amikor lehetővé vált egy objektum mozgási paramétereinek és relatív helyzetének mérése a felületéről visszaverődő radarsugárral, felmerült a kérdés, hogy a kibocsátott jelből meg lehet-e mérni egy objektum mozgási paramétereit. . 1957-ben a Szovjetunióban egy tudóscsoport V.A. vezetésével. Kotelnikova kísérletileg megerősítette egy mesterséges földi műhold (AES) mozgási paramétereinek meghatározásának lehetőségét a műhold által kibocsátott jel Doppler-frekvenciaeltolódásának mérési eredményei alapján. De ami a legfontosabb, létrejött az inverz probléma megoldásának lehetősége - a vevő koordinátáinak megtalálása a műholdból kibocsátott jel mért Doppler-eltolásából, ha ismertek a műhold mozgási paraméterei és koordinátái. A műhold a pályán való mozgás során egy bizonyos frekvenciájú jelet bocsát ki, melynek értéke a vevő oldalon (fogyasztó) ismert. A műhold helyzete minden időpillanatban ismert, pontosabban kiszámítható a műholdjelben foglalt információk alapján. A felhasználó megmérve a hozzá érkező jel frekvenciáját, összehasonlítja azt a referenciajellel, és így kiszámítja a műhold mozgásából adódó Doppler-frekvencia eltolódást. A mérések folyamatosan történnek, ami lehetővé teszi egyfajta Doppler frekvenciaváltó függvény összeállítását. Egy bizonyos időpontban a frekvencia egyenlő lesz nullával, majd előjelet vált. Abban a pillanatban, amikor a Doppler-frekvencia egyenlő nullával, a fogyasztó egy olyan vonalon van, amely normális a műhold mozgásvektorával. A Doppler-frekvencia-görbe meredekségének a fogyasztó és a műhold közötti távolságtól való függését felhasználva, valamint azt az időt mérve, amikor a Doppler-frekvencia nullával egyenlő, ki lehet számítani a fogyasztó koordinátáit.
Így a Föld egy mesterséges műholdja rádiónavigációs referenciaállomássá válik, amelynek koordinátái a műhold pályán való mozgása miatt időben változnak, de a beágyazott efemerisz információ miatt bármely időpillanatra előre kiszámítható. a műhold navigációs jelét.
1958-1959-ben a Leningrádi Légierő Mérnöki Akadémián (LVVIA) őket. A.F. Mozhaisky, a Szovjetunió Tudományos Akadémia Elméleti Csillagászati Intézete, a Szovjetunió Tudományos Akadémia Elektromechanikai Intézete, két tengerkutató intézet és a Gorkij NIRFI kutatásokat végzett a „Szputnyik” témában, amely később lett. az alapja az első hazai, alacsony pályán járó, „Cicada” navigációs műholdrendszer megépítésének. 1963-ban pedig elkezdődtek ennek a rendszernek a kiépítése. 1967-ben állították pályára az első hazai navigációs műholdat, a Kosmos-192-t. Az első generációs rádiónavigációs műholdrendszerek jellemzője az alacsony pályán járó műholdak használata, valamint egy jelenleg látható műhold jelének felhasználása egy objektum navigációs paramétereinek mérésére. Ezt követően a Cicada rendszer műholdait vevőberendezéssel látták el a bajba jutott tárgyak észlelésére.
Ezzel párhuzamosan az első mesterséges földműhold sikeres Szovjetunió általi felbocsátása után az USA-ban a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriumában folynak a munkálatok az általa kibocsátott jel paramétereinek mérési lehetőségével kapcsolatban. a műhold. A mérések segítségével kiszámítják a műhold mozgásának paramétereit a földi megfigyelési ponthoz képest. Az inverz probléma megoldása idő kérdése.
E tanulmányok alapján 1964-ben az USA-ban létrehozták az első generációs "Transit" Doppler műholdas rádiónavigációs rendszert. Fő célja a Polaris ballisztikus rakéták tengeralattjárókról történő kilövésének navigációs támogatása. Az Alkalmazott Fizikai Laboratórium igazgatóját, R. Kershnert tartják a rendszer atyjának. A rendszer 1967-ben vált kereskedelmi forgalomba. A Cicada rendszerhez hasonlóan a Transit rendszerben is a 7 látható műhold egyikének jelének Doppler-frekvencia eltolódásából számítják a forráskoordinátákat. Az AES rendszerek körkörös poláris pályával rendelkeznek, a Föld felszíne feletti magassága ~ 1100 km, a Transit műholdak forgási ideje 107 perc. A forráskoordináták kiszámításának pontossága az első generációs rendszerekben nagymértékben függ a forrássebesség meghatározásának hibájától. Tehát, ha egy objektum sebességét 0,5 m-es hibával határozzuk meg, akkor ez viszont ~ 500 m hibához vezet a koordináták meghatározásakor. Álló objektum esetén ez az érték 50 m-re csökken.
Ráadásul ezekben a rendszerekben a folyamatos működés nem lehetséges. Tekintettel arra, hogy a rendszerek alacsony pályán vannak, az az idő, amíg a műhold a fogyasztó látóterében van, nem haladja meg az egy órát. Ezen túlmenően, a különböző műholdaknak a felhasználó láthatósági zónájában való áthaladása közötti idő attól függ, hogy milyen földrajzi szélességen találhatók, és 35 és 90 perc között változhat. Ennek az intervallumnak a csökkentése a műholdak számának növelésével lehetetlen, mert minden műhold azonos frekvencián bocsát ki jeleket.
Következésképpen a második generációs műholdas navigációs rendszereknek számos jelentős hátránya van. Először is - a dinamikus objektumok koordinátáinak meghatározásának elégtelen pontossága. További hátrány a mérések folytonosságának hiánya.
A több műhold számára navigációs meghatározást biztosító műholdrendszerek létrehozásakor felmerülő egyik fő probléma a műholdak jeleinek (időskáláinak) a szükséges pontosságú kölcsönös szinkronizálása. A műholdak referenciagenerátorainak 10 ns-os eltérése hibához vezet a fogyasztó 10-15 m koordinátáinak meghatározásakor. A második probléma, amellyel a fejlesztők szembesültek a nagypályás műholdas navigációs rendszerek létrehozásakor, a műholdpálya-paraméterek nagy pontosságú meghatározása és előrejelzése volt. A vevőberendezés a különböző műholdaktól érkező jelek késleltetésének mérésével kiszámítja a fogyasztó koordinátáit.
Ebből a célból 1967-ben az amerikai haditengerészet kidolgozott egy programot, amely elindította a TIMATION-I műholdat, 1969-ben pedig a TIMATION-II műholdat. Ezeken a műholdakon kristályoszcillátorokat használtak. Ezzel egy időben az amerikai légierő párhuzamos szélessávú pszeudozajkód (PRN) programját futtatta. Egy ilyen kód korrelációs tulajdonságai lehetővé teszik egy jelfrekvencia használatát az összes műhold számára, a különböző műholdaktól érkező jelek kód szerinti elkülönítésével. Később, 1973-ban a két programot egyesítették „Navstar-GPS” néven. 1996-ra a rendszer kiépítése befejeződött. Jelenleg 28 aktív műhold áll rendelkezésre.
A Szovjetunióban a Glonass nagypályás műholdas navigációs rendszer repülési tesztjei 1982-ben kezdődtek a Kosmos-1413 műhold fellövésével. A rendszer egészének és az űrszegmens fő fejlesztője és alkotója az NPO Applied Mechanics (Krasznojarszk), a navigációs űrhajók esetében pedig a PA "Polyot" (Omszk). A rádiótechnikai komplexumok vezető fejlesztője az RNIIKP; Az Orosz Rádiónavigációs és Időmérő Intézetet egy ideiglenes komplexum, egy szinkronizációs rendszer és a fogyasztók számára készült navigációs berendezések létrehozásáért nevezték ki.
A Glonass rendszert a felszínen mozgó objektumok globális operatív navigációjára tervezték. Az SRNSS-t a Honvédelmi Minisztérium megrendelésére fejlesztették ki. Felépítését tekintve a Glonass a GPS-hez hasonlóan kettős működésű rendszernek számít, vagyis katonai és polgári célokra egyaránt használható.
A rendszer egésze három funkcionális részből áll (a szakirodalomban ezeket a részeket szegmenseknek nevezik) (1. ábra).
1. ábra: Glonass és GPS nagypályás navigációs rendszerek szegmensei
E három rész közül az utolsó, a felhasználói berendezés a legtöbb. A GLONASS rendszer kérés nélküli, így a rendszerfogyasztók száma nem számít. A fő funkción – a navigációs definíciókon – túl a rendszer lehetővé teszi a frekvencia- és időszabványok nagy pontosságú kölcsönös szinkronizálását távoli földi objektumoknál, valamint kölcsönös geodéziai referenciát. Ezenkívül négy navigációs műhold jelvevő mérései alapján egy objektum tájolásának meghatározására is használható.
A Glonass rendszerben a navigációs űrhajókat (NSV) rádiónavigációs referenciaállomásként használják, körkörös geostacionárius pályán forognak ~ 19100 km magasságban (2. ábra). Egy műhold Föld körüli forgási ideje átlagosan 11 óra 45 perc. A műhold élettartama 5 év, ezalatt a pályája paraméterei nem térhetnek el 5%-nál nagyobb mértékben a névleges értékektől. Maga a műhold egy 1,35 m átmérőjű és 7,84 m hosszú hermetikus konténer, amelyben különféle berendezések vannak elhelyezve. Az összes rendszert a napelemek. A műhold össztömege 1415 kg. A fedélzeti berendezések tartalmazzák: egy fedélzeti navigációs jeladót, egy időzítőt (óra), egy fedélzeti vezérlőkomplexumot, egy orientációs és stabilizáló rendszert stb.
2. ábra: GLONASS és GPS rendszerek űrszegmense
3. ábra A GLONASS rendszer földi vezérlőkomplexumának szegmense
4. ábra A GPS rendszer földi irányító komplexumának szegmense
A GLONASS rendszer földi vezérlőkomplexumának szegmense a következő funkciókat látja el:
A különböző műholdak időskáláinak a szükséges pontosságú szinkronizálására az NSC fedélzetén 10-13 nagyságrendű relatív instabilitású cézium frekvenciastandardokat alkalmaznak. A földi vezérlőkomplexum hidrogénstandardot használ, amelynek relatív instabilitása 10-14. Ezenkívül a GCC eszközöket is tartalmaz a műhold időskáláinak a referenciaskálához viszonyított korrekciójára, 3–5 ns hibával.
A földi szegmens efemerisz támogatást nyújt a műholdaknak. Ez azt jelenti, hogy a műhold mozgásának paramétereit a földön határozzák meg, és ezeknek a paramétereknek az értékeit előre meghatározott időtartamra előrejelzik. A paramétereket és azok előrejelzését a műhold által a navigációs jel továbbításával együtt továbbított navigációs üzenet tartalmazza. Ez magában foglalja a műhold fedélzeti időskálájának a rendszeridőhöz viszonyított idő-frekvencia korrekcióit is. A műhold mozgási paramétereinek mérése és előrejelzése a rendszer ballisztikus központjában történik a műhold távolságának és sugárirányú sebességének pályaméréseinek eredményei alapján.
Amerikai GPS rendszer a maguk módján funkcionalitás hasonló a hazai Glonass rendszerhez. Fő célja a fogyasztó koordinátáinak, a sebességvektor összetevőinek nagy pontosságú meghatározása, valamint a rendszer időskálájához való kötés. A hazaihoz hasonlóan a GPS-rendszert az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma számára fejlesztették ki, és annak irányítása alatt áll. Az interfészvezérlő dokumentum szerint a rendszer fő fejlesztői:
A Glonass rendszerhez hasonlóan a GPS is egy űrszegmensből, egy földi irányítási és mérési komplexumból, valamint egy fogyasztói szegmensből áll.
Mint fentebb említettük, a GPS-konstelláció 28 navigációs űrhajóból áll. Mindegyik körkörös pályán kering, és a Föld körüli forgási periódusa 12 óra. Mindegyik műhold pályájának magassága ~ 20000 km. A GPS-rendszer NSC-jei számos fejlesztésen mentek keresztül, amelyek általánosságban befolyásolták teljesítményüket. táblázatban. 1 van megadva rövid jellemzők rendszerben használt űrhajók.
1. táblázat A GPS rendszerben használt űrhajók jellemzői
| NKA típusú | Tömeg a pályán | Az energiaforrások ereje, W | Az aktív létezés becsült időtartama | Az első NSC bevezetésének éve |
| Blokk-I | 525 | 440 | - | 1978 |
| Blokk-II | 844 | 710 | 5 | 1989 |
| Blokk-IIR | 1094 | 1250 | 7,5 | 1997 |
| Blokk-IIF | - | - | 14–15 | 2001–2002 |
2. táblázat GLONASS és GPS rendszerek összehasonlító jellemzői
| Index | GLONASS | GPS |
| Az űrhajók száma a teljes orbitális konstellációban | 24 | 24 |
| A pályasíkok száma | 3 | 6 |
| Az űrhajók száma minden síkban | 8 | 4 |
| Orbitális dőlésszög | 64,8º | 55º |
| Pályamagasság, km | 19 130 | 20 180 |
| Műholdas keringési periódus | 11 óra 15 perc. 44 s | 11 óra 58 perc. 00 s |
| Koordináta-rendszer | PZ-90 | WGS-84 |
| Navigációs űrhajó tömege, kg | 1450 | 1055 |
| Napelemek teljesítménye, W | 1250 | 450 |
| Aktív fennállás időtartama, évek | 3 | 7,5 |
| Űrhajó pályára bocsátásának eszközei | "Proton-K/DM" | Delta 2 |
| Az egy indítás során megjelenített űrhajók száma | 3 | 1 |
| űrkikötő | Bajkonur (Kazahsztán) | Cape Canaveral |
| Referencia idő | UTC(SU) | UTC (NO) |
| Hozzáférési mód | FDMA | CDMA |
| Vivőfrekvencia: L1 L2 |
1598,0625-1604,25 7/9 L1 |
1575,42 60/77 L1 |
| Polarizáció | jobb kéz | jobb kéz |
| PN sorozat típusa | m-sorozat | arany kód |
| Kódelemek száma: C/A P |
511 51 1000 |
1023 2,35x1014 |
| Kódolási sebesség, Mbps: C/A P |
0,511 5,11 |
1,023 10,23 |
| A rendszeren belüli rádióinterferencia szintje, dB | -48 | -21,6 |
| Navigációs üzenet szerkezete | ||
| Átviteli sebesség, bps | 50 | 50 |
| A moduláció típusa | BPSK (Manchester) | BPSK NRZ |
| Szuperváz hossza, min. | 2,5 (5 képkocka) | 12,5 (25 képkocka) |
| Kerethossz, s | 30 (15 sor) | 30 (5 sor) |
| Vonalhossz, s | 2 | 6 |
A rendszer egészének és különösen az SV tervezésénél nagy figyelmet fordítanak az autonóm működés kérdéseire. Így az első generációs űrrepülőgépek (Block-I) 3-4 napig biztosították a rendszer normál működését (vagyis jelentősebb koordináta-meghatározási hibák nélkül) a vezérlőszegmens beavatkozása nélkül. A Block-II készülékeknél ez az időszak 14 napra bővült. BAN BEN új módosítás Az NSC Blok-IIR 180 napig autonóm működést tesz lehetővé a pályaparaméterek földről történő módosítása nélkül, csak egy autonóm komplexumot használva a műholdak kölcsönös szinkronizálására. Block-IIF eszközöket kell használni az elhasznált Block-IIR helyett.
A Glonass rendszer az egyes műholdak által kibocsátott jelek frekvenciaosztását (FDMA) használja – két fáziseltolásos jelet. Az első jel frekvenciája az L1 ~ 1600 MHz tartományba esik, a második jel frekvenciája pedig az L2 ~ 1250 MHz tartományba esik. Az L1 és L2 sávban továbbított rádiójelek működési frekvenciájának névleges értékeit a következő kifejezés határozza meg:
f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)
ahol k = 0,1,...,24 - a műholdak működési frekvenciájának betűinek (csatornáinak) száma;
f1 = 1602 MHz; D f 1 = 9/16 \u003d 0,5625 MHz;
f2=1246 MHz; Df 2 = 7/16 = 0,4375 MHz.
Minden műhold esetében az L1 és L2 sávban lévő jelek működési frekvenciái koherensek, és egyetlen frekvencia-referenciából alakulnak ki. Az egyes műholdak vivőjének működési frekvenciáinak aránya:
D f k1 / D f k2 = 7/9.
A fedélzeti generátor frekvenciájának névleges értéke a Föld felszínén elhelyezkedő megfigyelő szempontjából 5,0 MHz.
Az L1 tartományban a Glonass rendszer minden műholdja 2 vivőt bocsát ki azonos frekvencián, egymáshoz képest 90º-kal eltolva (5. ábra).
5. ábra GLONASS és GPS vivőjelek vektordiagramja
Az egyik vivő 180º-os fáziseltolásos kulcsoláson esik át. A moduláló jelet három bináris jel modulo 2 összeadásával kapjuk (6. ábra):
6. ábra GLONASS jelszerkezet
Az L1 tartományban lévő jel (hasonlóan a GPS C/A kódjához) minden felhasználó számára elérhető az űrhajó láthatósági tartományán belül. Az L2 sávban lévő jelet katonai célokra szánják, szerkezetét nem hozták nyilvánosságra.
A navigációs üzenet folyamatosan követõ, egyenként 2 s-os sorok formájában jön létre. A karakterlánc első részében (1,7 s intervallum) a navigációs adatok továbbítása, a másodikban (0,3 s) - az időjel. Ez egy lerövidített pszeudo-véletlen sorozat, amely 30 szimbólumból áll, 100 bps órajellel.
A Glonass rendszer műholdjainak navigációs üzenetei szükségesek a fogyasztók számára a navigáció meghatározásához és a műholdakkal folytatott kommunikációs munkamenetek megtervezéséhez. Tartalmuk szerint a navigációs üzenetek működési és nem működési információkra oszthatók.
A működési információ arra a műholdra vonatkozik, amelyről a jelet vették. A működési információk a következőket tartalmazzák:
Az efemerisz információ és a frekvencia-idő korrekciók kötési ideje, amelyek a nap elejétől félórás multiplicitásúak, lehetővé teszik a műhold földrajzi koordinátáinak és sebességének pontos meghatározását.
A nem operatív információk egy almanachot tartalmaznak, beleértve:
Az űrhajó optimális "konstellációjának" kiválasztását és a vivőfrekvencia Doppler-eltolódásának előrejelzését a rendszeralmanach elemzése biztosítja.
A Glonass rendszerű műholdak navigációs üzenetei 2,5 perc időtartamú szuperkeretek formájában vannak felépítve. Egy szuperkeret öt képkockából áll, amelyek időtartama 30 másodperc. Minden képkocka 15 sort tartalmaz, amelyek időtartama 2 s. A vonal 2 s időtartamából az utolsó 0,3 s-ot az időbélyeg foglalja el. A sor többi része 85 szimbólumot tartalmaz 50 Hz-es frekvencián továbbított digitális információból.
Minden keret részeként a működési információ teljes mennyisége és a rendszeralmanach egy része továbbításra kerül. A teljes almanach a teljes szuperkeretben található. Ebben az esetben az 1–4. sorokban található szuperkeret információ arra a műholdra vonatkozik, amelyről származik (működési rész), és nem változik a szuperkereten belül.
A GPS rendszer kódosztásos jelzést (CDMA) használ, így minden műhold azonos frekvencián bocsát ki jeleket. Minden GPS-műhold két fáziseltolásos jelet bocsát ki. Az első jel frekvenciája L1 = 1575,42 MHz, a második - L2 = 1227,6 MHz. Az L1 vivőfrekvenciás jelet két bináris szekvencia modulálja, amelyek mindegyike a távolság-meghatározási kód és a továbbított rendszer- és navigációs adatok modulo 2 összegzésével jön létre, 50 bit/s sebességgel. Az L1 frekvencián két kvadratúra komponens kerül átvitelre, kétfázisúan bináris sorozatokkal manipulálva. Az első szekvencia a P precíz tartománykód vagy a titkos Y kód és a navigációs adatok modulo 2 összege. A második sorozat egyben a durva C/A (nyitott) kód és ugyanazon navigációs adatszekvencia modulo 2 összege.
Az L2 frekvenciájú rádiójelet a két korábban vizsgált szekvencia közül csak az egyik manipulálja bifázisosan. A modulációs szekvencia kiválasztása a Föld parancsára történik.
Minden műhold saját C/A és P(Y) távolságmérő kódját használja, ami lehetővé teszi a műholdjelek elkülönítését. A pontos hatótávolságú P(Y) kód kialakítása során a műholdjel időbélyegei egyidejűleg jönnek létre.
A GPS műholdak navigációs információinak szerkezeti felosztása szuperkeretekre, keretekre, alkeretekre és szavakra történik. Egy szuperkeret 25 képkockából jön létre, és 750 másodpercet vesz igénybe (12,5 perc). Egy képkocka átvitele 30 másodpercig tart, mérete 1500 bit. A keret 5, egyenként 300 bites alkeretre van felosztva, és 6 másodperces időközönként kerül átvitelre. Az egyes alkeretek eleje egy időbélyeget jelöl, amely megfelel a GPS rendszeridő következő 6 másodperces intervallumának kezdetének/végének. Egy alkeret 10 30 bites szóból áll. Minden szóban a 6 legkisebb jelentőségű bit az ellenőrző bit.
Az 1., 2. és 3. alkeretben a kommunikációt létrehozó űrhajó órakorrekciós paramétereire és efemerisz adataira vonatkozó adatok kerülnek továbbításra. Ezen alkeretek tartalma és szerkezete a szuperkeret minden oldalán ugyanaz marad. A 4. és 5. alkeret információkat tartalmaz a rendszer összes SC konfigurációjáról és állapotáról, SC almanachokról, speciális üzenetekről, a GPS idő és az UTC kapcsolatát leíró paraméterekről stb.
A GPS és GLONASS rendszerek fogyasztóinak szegmense a műholdjelek vevőit foglalja magában. Ezen jelek paramétereinek mérésével a navigációs probléma megoldódik. A vevőegység három funkcionális részre osztható:
Az antenna adagoló eszköz (antenna) kimenetéről a jel a rádiófrekvenciás részre jut (7. ábra). Ennek a résznek a fő feladata a bemeneti jel erősítése, szűrés, frekvenciaátalakítás és analóg-digitális átalakítás. Ezenkívül a vevő rádiófrekvenciás része fogadja a vevő digitális részének órajelét. A rádiófrekvenciás rész kimenetéről a bemeneti jel digitális leolvasása a digitális korrelátor bemenetére kerül.
7. ábra A vevő általános felépítése
A korrelátorban a jel spektruma átkerül a "nulla" frekvenciára. Ez úgy történik, hogy a korrelátor bemeneti jelét megszorozzuk a referencia harmonikus rezgéssel az azonos fázisú és a kvadratúra csatornákban. Továbbá a szorzás eredménye korrelációs feldolgozáson megy keresztül a referencia-tartománykóddal való szorzással és a tartománykód időtartama alatt felhalmozva. Ennek eredményeként megkapjuk az I és Q korrelációs integrálokat. A korrelációs integrálok leolvasása a processzorba kerül a PLL (phase locked loop) és a CVD (delay tracking circuit) hurkok további feldolgozása és lezárása céljából. A vevőben lévő jelparaméterek mérése nem közvetlenül a bemeneti jelből, hanem annak pontos másolatából történik, amelyet a PLL és SSZ rendszer képez. Az I és Q korrelációs integrálok lehetővé teszik a referencia- és bemeneti jelek közötti "hasonlóság" (korreláció) mértékének becslését. A korrelátor feladata az I és Q integrálok képzése mellett, hogy a processzortól érkező vezérlési műveleteknek (vezérlőkódoknak) megfelelően referenciajelet képezzen. Ezenkívül egyes vevőkészülékekben a korrelátor előállítja a referenciajelek szükséges méréseit, és továbbítja azokat a processzornak további feldolgozás céljából. Ugyanakkor, mivel a korrelátorban a referenciajelek a processzortól érkező vezérlőkódok szerint jönnek létre, a referenciajelek szükséges mérései közvetlenül a processzorban végezhetők el, a vezérlőkódokat megfelelő módon feldolgozva, ami számos modern vevőkészülékben történik.
Milyen jelparamétereket mér a korrelátor (processzor)?
A rádiótechnikai méréseknél a tartományt a jel terjedési ideje jellemzi a mérési objektumtól a mérési pontig. A GPS/GLONASS navigációs rendszerekben a jelek kibocsátása szinkronizálva van a rendszer időskálájával, pontosabban az ezt a jelet kibocsátó műhold időskálájával. Ugyanakkor a felhasználó információval rendelkezik a műhold és a rendszer időskálája közötti eltérésről. A műholdról továbbított digitális információ lehetővé teszi a jel egy bizonyos töredékének (időbélyegző) műhold általi kibocsátásának pillanatát a rendszeridőben. Ennek a töredéknek a vételének pillanatát a vevő időskálája határozza meg. A vevő (fogyasztó) időskálája kvarc frekvenciaszabványok felhasználásával kerül kialakításra, így a vevő időskálájából állandó "elhagyás" történik a rendszer időskálájához képest. A vevő időskáláján számolt jelrészlet vételi pillanata és a műhold által a műhold skálán számolt kibocsátási pillanata és a fénysebesség szorzata közötti különbséget pszeudotávolságnak nevezzük. Miért pszeudorange? Mert ez annyiban tér el a valódi tartománytól, ami megegyezik a fénysebesség és a vevő időskálájának a rendszer időskálájához viszonyított "eltávozásának" szorzatával. A navigációs probléma megoldása során ez a paraméter a fogyasztó (vevő) koordinátáival együtt kerül meghatározásra.
A korrelátorban kialakított korrelációs integrálok lehetővé teszik a műholdjel modulációjának nyomon követését információs szimbólumokkal és a bemeneti jelben lévő időbélyeg kiszámítását. Az időbélyegek 6 másodperces időközönként következnek a GPS-nél és 2 másodperces időközönként a GLONASS-nál, és egyfajta 6(2) másodperces skálát alkotnak. A skála egy felosztásán belül a tartománykód periódusai egy 1 ms-os skálát alkotnak. Egy ezredmásodperc különálló elemekre (chipekre, GPS terminológiában) van felosztva: GPS esetén - 1023, GLONASS esetén - 511. Így a távolsági kód elemei lehetővé teszik a műhold távolságának meghatározását hibásan. ~ 300 m. A pontosabb meghatározáshoz ismerni kell a távolságmérő kódgenerátor fázisát. A korrelátor referenciagenerátorainak felépítésére szolgáló sémák lehetővé teszik annak fázisának meghatározását akár 0,01 periódusos pontossággal, ami 3 m-es pszeudotartomány meghatározásának pontossága.
A PLL rendszer által generált referencia harmonikus rezgés paramétereinek mérése alapján meghatározzuk a műhold vivőoszcillációjának frekvenciáját és fázisát. A névleges értékhez viszonyított eltérése Doppler-frekvenciaeltolódást ad, amivel megbecsülik a fogyasztó műholdhoz viszonyított sebességét. Ezenkívül a vivő fázismérései lehetővé teszik a műhold hatótávolságának finomítását több mm-es hibával.
A fogyasztó koordinátáinak meghatározásához ismerni kell a műholdak koordinátáit (legalább 4 db) és a fogyasztótól az egyes látható műholdaktól való távolságot. Annak érdekében, hogy a fogyasztó meg tudja határozni a műholdak koordinátáit, az általuk kibocsátott navigációs jeleket a mozgásuk paramétereiről szóló üzenetekkel modellezik. A fogyasztó berendezésében ezeket az üzeneteket kiválasztják, és a kívánt időpontban meghatározzák a műholdak koordinátáit.
A sebességvektor koordinátái és komponensei nagyon gyorsan változnak, ezért a műholdak mozgási paramétereiről szóló üzenetek nem a koordinátáikról és a sebességvektor összetevőiről tartalmaznak információkat, hanem egy bizonyos modell paramétereiről, amelyek közelítik az SC mozgási pályáját. kellően hosszú időintervallum (kb. 30 perc). A közelítő modell paraméterei meglehetősen lassan változnak, és a közelítési intervallumon keresztül állandónak tekinthetők.
A közelítő modell paramétereit a műholdas navigációs üzenetek tartalmazzák. A GPS rendszer a Kepleri mozgásmodellt használja oszkuláló elemekkel. Ebben az esetben az űrhajó repülési útvonala egy óra időtartamú közelítő szegmensekre van felosztva. Minden szakasz közepén egy kulcsfontosságú időpont van beállítva, amelynek értékét jelenti a navigációs információ fogyasztója. Ezen túlmenően a fogyasztó a csomóponti időpontban értesül az oszkuláló elemek modelljének paramétereiről, valamint az oszkuláló elemek modelljének paramétereinek időbeni változását közelítő függvények paramétereiről mind a csomóponti elemet megelőzően, mind azt követően.
A fogyasztói berendezésben egy időintervallum van kijelölve azon időpillanat között, amelyre a műhold helyzetét meg kell határozni, és a csomóponti pillanat között. Ezután a navigációs üzenetből kinyert közelítő függvények és paramétereik felhasználásával a kívánt időpontban kiszámítják az oszkulációs elemek modell paramétereinek értékeit. Az utolsó szakaszban a Kepleri modell szokásos képletei segítségével meghatározzák a műhold sebességvektorának koordinátáit és összetevőit.
A Glonass rendszer differenciális mozgási modelleket használ a műhold pontos helyzetének meghatározására. Ezekben a modellekben a műhold sebességvektorának koordinátáit és összetevőit az űrhajó mozgásának differenciálegyenletek numerikus integrálásával határozzák meg, amelyek figyelembe veszik az űreszközre ható, véges számú erőt. A kezdeti integrációs feltételek a csomóponti időpillanatban vannak beállítva, amely a közelítési intervallum közepén található.
Mint fentebb említettük, a fogyasztó koordinátáinak meghatározásához ismerni kell a műholdak koordinátáit (legalább 4 db) és a fogyasztótól minden látható műholdtól mért távolságot, amit a navigációs vevőben kb. 1 m. A kényelem kedvéért vegye figyelembe az ábrán látható legegyszerűbb "lapos" esetet. 8.
8. ábra Fogyasztói koordináták meghatározása
Minden műhold (8. ábra) pontsugárzóként ábrázolható. Ebben az esetben az elektromágneses hullám eleje gömb alakú lesz. A két gömb metszéspontja az lesz, ahol a fogyasztó található.
A műholdak pályájának magassága körülbelül 20 000 km. Ezért a körök második metszéspontja a priori információ miatt elvehető, mivel messze van a térben.
A műholdas navigációs rendszerek lehetővé teszik a fogyasztó számára, hogy körülbelül 10–15 m-es pontossággal kapja meg a koordinátákat, azonban számos feladathoz, különösen a városi navigációhoz, nagyobb pontosságra van szükség. Az objektum helymeghatározásának pontosságának javításának egyik fő módszere a rádiónavigációban ismert differenciális navigációs mérések elvének alkalmazásán alapul.
A DGPS (Differential GPS) differenciál mód lehetővé teszi, hogy dinamikus navigációs környezetben akár 3 m-es, álló körülmények között pedig 1 m-es pontossággal állítsa be a koordinátákat. A differenciális módot egy referenciaállomásnak nevezett GPS-vezérlő vevő segítségével valósítják meg. Egy ismert koordinátákkal rendelkező ponton található, ugyanazon a területen, mint a fő GPS-vevő. Az ismert (precíziós geodéziai felmérés eredményeként kapott) koordinátákat a mértekkel összevetve a referenciaállomás korrekciókat számít ki, amelyeket rádiócsatornán, előre meghatározott formátumban továbbít a fogyasztókhoz.
A fogyasztói berendezés differenciális korrekciókat kap a referencia állomástól, és azokat figyelembe veszi a fogyasztó helyének meghatározásakor.
A differenciális módszerrel kapott eredmények nagymértékben függenek az objektum és a referenciaállomás közötti távolságtól. A módszer alkalmazása akkor a leghatékonyabb, ha a külső (a vevőhöz viszonyított) okokból eredő szisztematikus hibák érvényesülnek. A kísérleti adatok szerint a referenciaállomást az objektumtól legfeljebb 500 km-re javasolt elhelyezni.
Jelenleg számos nagy különbségű regionális és helyi differenciálrendszer létezik.
Széles körű rendszerekként érdemes megemlíteni az olyan rendszereket, mint az amerikai WAAS, az európai EGNOS és a japán MSAS. Ezek a rendszerek geostacionárius műholdakat használnak a korrekciók továbbítására a lefedettségükön belüli összes felhasználóhoz.
A regionális rendszereket úgy tervezték, hogy navigációs támogatást nyújtsanak a Föld felszínének egyes szakaszaihoz. A regionális rendszereket jellemzően nagyvárosokban, autópályákon és hajózható folyókon, kikötőkben, valamint a tengerek és óceánok partjain alkalmazzák. A regionális rendszer munkazónájának átmérője általában 500-2000 km. Tartalmazhat egy vagy több referenciaállomást.
A helyi rendszerek maximális hatótávolsága 50-220 km. Általában egyet tartalmaznak bázisállomás. A helyi rendszereket általában használatuk szerint osztják fel: tengeri, légi közlekedési és geodéziai helyi differenciálállomások.
A GPS és a Glonass műholdrendszerek modernizálásának általános iránya a navigációs definíciók pontosságának növelésével, a felhasználóknak nyújtott szolgáltatások javulásával, a műholdak fedélzeti berendezéseinek élettartamának és megbízhatóságának növekedésével, a javulással jár. más rádiótechnikai rendszerekkel való kompatibilitásban és a differenciál alrendszerek fejlesztésében. A GPS és a Glonass rendszerek általános fejlesztési iránya egybeesik, de a dinamika és az elért eredmények nagyon eltérőek.
A GLONASS rendszer fejlesztését a tervek szerint az új generációs GLONASS-M műholdak alapján hajtják végre. Ennek a műholdnak megnövekedett élettartama lesz, és navigációs jelet bocsát ki az L2 sávban polgári alkalmazásokhoz.
Hasonló döntés született az Egyesült Államokban is, ahol 1999. január 5-én 400 millió dollárt jelentettek be a GPS rendszer korszerűsítésére, a C / A kód L2 frekvencián (1222,7 MHz) történő továbbítására és bevezetésére. a harmadik L3 hordozó (1176, 45 MHz) 2005-től induló űrhajókon. Az L2 frekvencián lévő jelet a tervek szerint polgári célokra használják, nem közvetlenül az emberi élet veszélyeztetéséhez. Ennek a megoldásnak a megvalósítását 2003-tól javasoljuk megkezdeni. Úgy döntöttek, hogy a harmadik polgári jelzést az L3 frekvencián használják a polgári repülés igényeire.
Irodalom
Ma a navigáció szükséges és nagyon népszerű dolog. Az elmúlt néhány évben a navigációs chipek a mobil eszközökben és más elektronikai cikkekben általánossá váltak. Léteznek GPS és GLONASS navigációs rendszerek, nézzük meg, mik azok, és tanulmányozzuk a működési elveket.
A GPS (Global Positioning System, Global Positioning System rövidítése) egy műholdas navigációs rendszer, amely távolságot, időt mér és a WGS 84 világkoordinátarendszerben meghatározza a helyzetet, amely lehetővé teszi az objektumok helyzetének és sebességének szinte bárhol meghatározását a világon. (a sarki régiók kivételével).
A GPS fejlesztése az 1950-es években kezdődött az amerikai védelmi minisztérium számára, de ma már nem csak a katonaság, hanem a mindennapi életben is alkalmazzák a technológiát. Abban az időben a Szovjetunió felbocsátotta a Föld első mesterséges műholdját, és az eseményt megfigyelő amerikai tudósok észrevették, hogy a Doppler-effektus miatt a vett jel frekvenciája a műhold közeledtével növekszik, távolságának növekedésével pedig csökken. Arra a következtetésre jutottak, hogy ha van információja a pontos koordinátáiról a Földön, meg tudja mérni a műhold helyzetét és sebességét, a műhold elhelyezkedésének ismeretében pedig ki tudja számítani saját sebességét és koordinátáit.
A GPS rendszer átlagos földi pályán forgó mesterséges műholdakból (USA-ban kifejlesztett NAVSTAR műholdrendszer) és földi megfigyelő állomásokból áll. közös hálózat. A műholdak folyamatosan továbbítanak a Földre egy navigációs jelet, amely tartalmaz egy "álvéletlen kódot", efemerisz adatokat (a műhold előre jelzett koordinátáit és mozgási paramétereit egy adott időpontban) és egy almanachot (a műhold hozzávetőleges helyzetének kiszámításához szükséges adatokat). . Ezt a jelet az előfizetői GPS-készülékek veszik, amelyek a kapott információk alapján kiszámítják a földrajzi elhelyezkedésüket.
Az egyik hátránya GPS technológia alacsony adatsebesség (akár 50 bps), ezért a koordináták kiszámítása több percig is eltarthat. Ezen túlmenően a GPS-rendszer nem hatékony a beltéri, magas épületekkel körülvett területen, erdőben és parkokban, alagutakban stb. lévő készülék koordinátáinak meghatározására.
Hogy megszüntesse ezeket a problémákat, és meg tudja határozni bármely koordinátáját mobil eszköz Az A-GPS (Assisted GPS) technológia létrejött. Használata során a GPS-vevő nem műholdakról, hanem külső forrásokból fogad adatokat (ezek általában hálózatok mobilszolgáltatók), és kevesebb, mint 2 másodpercbe telik az A-GPS jel felismerése.
Az A-GPS létrehozásának ötletének szerzői Jimi Sennota és Ralph Taylor mérnökök voltak, akik 1981-ben szabadalmaztatták fejlesztésüket. A rendszert 2001 októberében vezették be az Egyesült Államokban, ahol a 911-es mentőhálózaton keresztül kezdték használni.
Az A-GPS beépített GPS-vevőből és hálózati összetevőkből áll mobilhálózat. Az A-GPS-hez két mód van: A-GPS Online (elsődleges) és A-GPS Offline (kiegészítő). Az első lehetővé teszi, hogy információt kapjon a műholdak koordinátáiról, ha gyorsan meg kell határoznia a földrajzi helyzetet, ha a GPS-vevő 2 óránál hosszabb ideig nem működött. A második mód felgyorsítja a GPS-vevő "meleg" és "hideg" indítási idejét. Az A-GPS vevő frissíti az almanachot, az efemeriszeket és a látható műholdak listáját.
Hatékonysága ellenére az A-GPS technológiának számos hátránya van, különösen a gyorsindítás funkció nem működik a mobilhálózat lefedettségén kívül. Egyes A-GPS-képes vevőkészülékek GSM-rádióval együtt vannak, és nem indulhatnak el, ha az utóbbi le van tiltva. Ebben az esetben az A-GPS vevő GSM (GPRS) lefedettség nélkül is elindulhat. Indításkor az A-GPS modulok kis forgalmat fogyasztanak (5-7 KB), de jelvesztés esetén újraszinkronizálásra lesz szükség, ami fokozott energiafogyasztással jár, különösen barangoláskor.
Jelenleg két műholdas navigációs rendszer létezik a világon - a fent leírt GPS és a GLONASS (Global Navigation Satellite System). Valójában ez utóbbi a GPS orosz verziója. A GPS-szel analóg módon a GLONASS háromdimenziós koordinátákat (szélesség, magasság, hosszúság) határoz meg az egész világon.
A szovjet műholdrendszer akkori fejlesztésének kezdete 1976 decemberére nyúlik vissza. 1982 októberében, a Hurricane műhold GLONASS pályára bocsátásával megkezdődött a rendszer első tesztelése. Kezdetben katonai célokra tervezték, de később polgári célokra kezdték használni. Most a GLONASS vevők polgári / katonai hajókkal és repülőgépekkel, tömegközlekedéssel, autókkal vannak felszerelve sürgősségi ellátás stb. A GLONASS jeleket nemcsak a GPS-vevők, a fedélzeti navigátorok veszik, hanem a fedélzeti navigátorok is Mobiltelefonok. A pozícióra, sebességre és mozgásirányra vonatkozó adatok a GSM szolgáltató hálózatán keresztül kerülnek az adatgyűjtő szerverre.
A GLONASS rendszer polgári felhasználása 1993-ban kezdődött, 1995-ben 24 műholdat állítottak pályára, 2010-ben számuk 26-ra nőtt. A rendszer fejlesztésére a 2012 és 2020 közötti időszakban az orosz kormány 320 milliárd rubelt különített el. , beleértve 15 Glonass-M műhold és 22 Glonass-K műhold létrehozását. A GLONASS rendszer munkálatai 2015 decemberében fejeződtek be.
A GLONASS műholdak 19,1 ezer km-es magasságban forognak a Föld felett. A GLONASS vevők lehetővé teszik a vízszintes (50-70 m pontossággal) és a függőleges koordináták (70 m), a sebességvektor (15 cm/sec pontossággal), az idő meghatározását 0,7 µs pontossággal. A rendszer kétféle navigációs jelet használ - normál pontossággal nyitott és fokozott pontossággal védett. Az előbbi bármilyen GLONASS vevőt fogadhat, míg az utóbbi csak jogosult felhasználókat, például az RF fegyveres erők felszerelését.
Az ERA-GLONASS az orosz katasztrófaelhárítási rendszer balesetek és egyéb vészhelyzetek esetén az úton, amely lehetővé teszi, hogy a lehető leghamarabb tájékoztassa a segélyszolgálatot az eseményről. Az ERA-GLONASS a GLONASS műholdrendszeren alapul. A komplexumot 2015-ben helyezték üzembe, és 2017. január 1-től az autógyártók kötelesek ezt a rendszert felszerelni az orosz piacra belépő járműveikre. Ez a rendszer csökkenti a balesetekre és vészhelyzetekre adott válaszidőt, ami az utakon elhunytak, sérülések számának csökkenéséhez és a teher-/utasforgalom növekedéséhez vezet.
Az "ERA-GLONASS" két összetevőből áll: az üzemeltető infrastruktúrája (navigációs és információs platform, adatátviteli hálózat, hálózat mobilszolgáltató) és olyan eszközök, amelyekkel a járművek fel vannak szerelve. Baleset esetén (a rendszer felismeri Különféle típusokütközés - frontális, oldalsó vagy hátulsó ütközés), a készülék a GLONASS és/vagy GPS rendszerek műholdjainak adatai alapján meghatározza a baleset súlyosságát, az érintett jármű helyét, kommunikációt létesít az ERA-GLONASS rendszerrel és információkat továbbít. a balesetről. A jel prioritási státuszú, és bármely mobilszolgáltatón keresztül továbbítják, amelyik ezen a helyen a legerősebb. Ha azonban a hálózat túlterhelt telefonhívások, megszakíthatók a jel továbbításához.
A műholdas megfigyelőrendszerek lehetővé teszik a nyomkövető objektum helyének nyomon követését bárhol a világon. Elképesztő pontosság érhető el a legújabb technológiai fejlesztések használatával, amelyeket a világ legjobb szakemberei terveztek.
Az ilyen rendszerek új szót jelentenek a közlekedési rendszermenedzsment világában, a szállítás műholdas felügyeletének köszönhetően logisztikai rendszert lehet létrehozni, csökkenteni lehet a szállítási költségeket azáltal, hogy gyorsan megtalálják az áruk fogyasztókhoz való eljuttatásának módjait és útvonalait. .
Ezeket a monitoring rendszereket összetett és rendkívül fontos kormányzati programok végrehajtására fejlesztették ki, ami jelzi tervezésük megbízhatóságát és hatékony működését. Mára az ilyen rendszerek elérhetővé váltak a hétköznapi fogyasztók számára.
Napjainkban a nagy logisztikai és szállítási cégek használják a műholdas megfigyelőrendszereket. Ugyanakkor a felügyeleti rendszer beszerzésének költségei indokoltak - már több jelentési használati időszakban megtérülnek.
Számos területen bizonyítottak, képességeik évről évre növekszenek, a beszerzési költség pedig nemcsak a transznacionális nagyvállalatok, hanem a kisebb cégek számára is egyre megfizethetőbbé válik.
Így ezeket a rendszereket hatékonyan használják a szállítási szolgáltatásokat nyújtó kis cégek, beleértve a taxiszolgáltatásokat is. Az ilyen felügyelet a taxiiparban lehetővé teszi az autó helyének gyors és pontos nyomon követését, ezáltal emberi erőforrást takarít meg, így idővel automatizálhatja a taxi szolgáltatási rendszert és növelheti a hatékonyságot.
A mi rendszereink az, amire szüksége van modern társadalom, ami biztonságosabbá teszi az életet és hatékonyabbá teszi az üzletet.
Az orosz GLOBAL NAVIGATION Sputnik System (GLONASS) operatív globális navigáció és időzítés támogatására szolgál korlátlan számú földi, tengeri, légi és űrbeli fogyasztó számára. A rendszert 1993-ban helyezték üzembe.
A GLONASS egy állami tulajdonú rendszer, amelyet kettős felhasználású rendszerként fejlesztettek ki a Honvédelmi Minisztérium és a polgári fogyasztók igényeire.
1996 óta a kormány javaslatára Orosz Föderáció A GLONASS-t az amerikai GPS-szel együtt a Nemzetközi Polgári Repülési Szervezet és a Nemzetközi Tengerészeti Szervezet használja.
Az Orosz Föderáció elnökének rendeletével összhangban a GLONASS rendszer polgári navigációs jelzéseihez az orosz és külföldi fogyasztók ingyenesen és korlátozások nélkül hozzáférhetnek.
Az új generációs műholdak képezik a GLONASS orbitális konstelláció alapját<Глонасс-М>. A közeljövőben a tervek szerint megkezdik az új generációs űrhajók repülési tesztjeit<Глонасс-К>Val vel Műszaki adatokösszehasonlítható a világ legjobb analógjaival.
A GLONASS rendszer kezeléséért és üzemeltetéséért az Orosz Föderáció Védelmi Minisztériuma felel.
Az első GLONASS műholdat a Szovjetunió 1982. október 12-én állította pályára. 1993. szeptember 24-én a rendszert hivatalosan is üzembe helyezték egy 12 műholdból álló orbitális konstellációval. 1995 decemberében a műholdkonstellációt teljes létszámban – 24 műholdat – telepítették.
Az elégtelen finanszírozás, valamint a rövid élettartam miatt a működő műholdak száma 2001-re 6-ra csökkent.
2001 augusztusában elfogadták a „Globális Navigációs Rendszer” szövetségi célprogramot, amely szerint Oroszország területének teljes lefedését már 2008 elejére tervezték, a rendszer pedig 2010 elejére érte volna el a globális méreteket. A probléma megoldására 2007-ben, 2008-ban és 2009-ben hat hordozórakéta kilövést és 18 műholdat pályára állítanak – így 2009 végére a konstelláció ismét 24 járműből állna.
2008. március végén az Orosz Globális Navigációs Műholdrendszer (GLONASS) Vezető Tervezői Tanácsa, amely az Orosz Űrműszerezési Kutatóintézetben ülésezett, némileg módosította a GLONASS űrszegmens telepítésének ütemezését. A korábbi tervek azt feltételezték, hogy a rendszer 2007. december 31-ig lesz elérhető Oroszországban; ehhez azonban 18 működő műholdra volt szükség, amelyek közül néhánynak sikerült kifejlesztenie garantált erőforrását és leállt. Így, bár 2007-ben teljesült a GLONASS műhold kilövési terve (hat jármű állt pályára), a 2008. március 27-i orbitális konstelláció csak tizenhat működő műholdat tartalmazott. 2008. december 25-én a számot 18 műholdra emelték.
A GLONASS főtervezőinek tanácsára a rendszer kiépítési tervét úgy módosították, hogy a GLONASS rendszer legalább 2008. december 31-ig működjön Oroszországban. A korábbi tervek szerint 2008 szeptemberében és decemberében két új Glonass-M műhold hármasát kellett pályára állítani; 2008 márciusában azonban felülvizsgálták a műholdak és rakéták gyártási dátumait annak biztosítása érdekében, hogy minden műhold üzemképes legyen az év vége előtt. Azt feltételezték, hogy az indításokra két hónappal korábban kerül sor, és a rendszer még az év vége előtt működni fog Oroszországban. A terveket határidőre megvalósították.
2009 novemberében bejelentették, hogy az Ukrán Rádiótechnikai Mérési Kutatóintézet (Kharkiv) és az Orosz Űrműszerezési Kutatóintézet (Moszkva) vegyesvállalatot hoz létre. A felek műholdas navigációs rendszert hoznak létre a fogyasztók kiszolgálására a két ország területén. A projekt ukrán korrekciós állomásokat használ a GLONASS rendszerek koordinátáinak tisztázására.
2009. december 15-én Vlagyimir Putyin orosz miniszterelnök és a Roszkozmosz vezetője, Anatolij Perminov találkozóján bejelentették, hogy a GLONASS telepítését 2010 végére befejezik.
A Glonass-K műholdakra való átállással a GLONASS rendszer pontossága összehasonlítható lesz az amerikai NAVSTAR GPS navigációs rendszer pontosságával – az egyetlen külföldi bevetésű. navigációs rendszer.
2010. szeptember 02 a műholdak konstellációja további 3 műholddal bővült és a konstellációban lévő műholdak összlétszáma 26 egységre nőtt.
A műholdas navigáció létrehozásának ötlete az 50-es években született. Abban a pillanatban, amikor a Szovjetunió felbocsátotta az első mesterséges földműholdat, Richard Kershner vezette amerikai tudósok megfigyelték a szovjet műholdról érkező jelet, és megállapították, hogy a Doppler-effektus miatt a vett jel frekvenciája a műhold közeledtével növekszik, majd csökken távolodik. A felfedezés lényege az volt, hogy ha pontosan ismeri a koordinátáit a Földön, akkor lehetővé válik a műhold helyzetének és sebességének mérése, és fordítva, a műhold pontos helyzetének ismeretében meghatározhatja saját sebességét és koordinátáit. .
Ez az ötlet 20 év után valósult meg. Az első tesztműholdat 1974. július 14-én állította pályára az Egyesült Államok, a teljes földfelszín lefedéséhez szükséges 24 műholda közül az utolsót 1993-ban állította pályára, így szolgálatba állt a GPS. Lehetővé vált, hogy a GPS segítségével pontosan célozzák a rakétákat álló, majd mozgó tárgyakra a levegőben és a földön.
Kezdetben a GPS-t, a globális helymeghatározó rendszert pusztán katonai projektként fejlesztették ki. De miután 1983-ban lelőttek egy behatolót a légtérbe szovjet Únió a Korean Airlines gépe 269 utassal a fedélzetén, Ronald Reagan amerikai elnök engedélyezte a navigációs rendszer polgári célú részleges használatát. A rendszer katonai célú felhasználásának elkerülése érdekében a pontosságot egy speciális algoritmus csökkentette.
Aztán megjelent az információ, hogy egyes vállalatok megfejtették az L1 frekvencián a pontosságot csökkentő algoritmust, és sikeresen kompenzálták a hiba ezen összetevőjét. 2000-ben az Egyesült Államok elnökének rendelete eltörölte a pontosság ezen elnagyolását.
Az orbitális konstelláció nyomon követése a főből történik irányító állomás, amely a Colorado állambeli Schriever légibázison található, és 10 nyomkövető állomás segítségével, amelyek közül három állomás képes 2000-4000 MHz frekvenciájú rádiójelek formájában korrekciós adatokat küldeni a műholdakra. A műholdak legújabb generációja szétosztja a vett adatokat a többi műhold között.
Annak ellenére, hogy a GPS projekt eredetileg katonai célokat szolgált, ma már egyre inkább civil célokra használják a GPS-t. A GPS-vevőket számos elektronikai üzletben értékesítik, és mobiltelefonokba, okostelefonokba, PDA-kba és beépített készülékekbe építik be őket. A fogyasztóknak emellett különféle eszközöket és szoftver termékek, amely lehetővé teszi tartózkodási helyének megtekintéséhez elektronikus térkép; képes útvonalakat kialakítani, figyelembe véve az útjelző táblákat, a megengedett kanyarokat és még a forgalmi dugókat is; kereshet a térképen adott házak és utcák, látnivalók, kávézók, kórházak, benzinkutak és egyéb infrastruktúra után.
A modern GPS-vevők tipikus pontossága vízszintes síkban körülbelül 10-12 méter, a műholdak jó láthatósága mellett (ugyanúgy, mint a GLONASS-nál). Az Egyesült Államokban és Kanadában vannak WAAS állomások, amelyek a differenciál üzemmódra vonatkozó korrekciókat továbbítják, ami ezekben az országokban 1-2 méterre csökkenti a hibát. bonyolultabb differenciálmódok alkalmazásakor a koordináták meghatározásának pontossága 10 cm-re növelhető Sajnos bármelyik SNS pontossága erősen függ a tér nyitottságától, a használt műholdak horizont feletti magasságától.
A GLONASS rendszer a legnagyobb navigációs komplexum, amely lehetővé teszi a különböző objektumok helyzetének nyomon követését. Az 1982-ben indult projekt a mai napig aktívan fejlődik és javul. Sőt, mind a GLONASS technikai támogatásán, mind pedig azon infrastruktúrán folyik a munka, amely lehetővé teszi, hogy egyre többen használják a rendszert. Tehát, ha a komplexum fennállásának első éveiben a műholdak segítségével történő navigációt főként katonai problémák megoldására használták, mára a GLONASS egy technológiai helymeghatározó eszköz, amely civil felhasználók millióinak életében vált kötelezővé.
A globális műholdas helymeghatározás technológiai összetettsége miatt ma már csak két rendszer felel meg ennek a névnek - a GLONASS és a GPS. Az első az orosz, a második pedig az amerikai fejlesztők gyümölcse. Technikai szempontból a GLONASS egy speciális hardver komplexum, amely mind a pályán, mind a földön található.
A műholdakkal való kommunikációhoz speciális szenzorokat és vevőket használnak, amelyek jeleket olvasnak és ezek alapján helyzetadatokat alkotnak. Az időparaméterek kiszámításához speciális paramétereket használnak, amelyek egy objektum helyzetének meghatározására szolgálnak, figyelembe véve a rádióhullámok sugárzását és feldolgozását. A hibák csökkentése lehetővé teszi a pozicionálási paraméterek megbízhatóbb kiszámítását.
A globális műholdas navigációs rendszerek feladatai közé tartozik a földi objektumok pontos helyének meghatározása. A földrajzi elhelyezkedés mellett a globális navigációs műholdrendszerek lehetővé teszik az idő, az útvonal, a sebesség és egyéb paraméterek figyelembevételét. Ezeket a feladatokat a Föld felszíne felett különböző pontokon elhelyezett műholdak segítségével hajtják végre.
A globális navigáció alkalmazását nem csak a közlekedési iparban alkalmazzák. A műholdak segítenek a keresési és mentési műveletekben, a geodéziai és építési munkákban, valamint más űrállomások és járművek koordinálásában és karbantartásában. A hadiipar sem marad támogatása nélkül az ilyen célpontok rendszerének támogatása nélkül, amely biztonságos jelet ad kifejezetten a Honvédelmi Minisztérium engedélyezett felszerelései számára.
A rendszer csak 2010-ben kezdte meg a teljes körű munkát, bár megpróbálják bevezetni a komplexumot aktív munka A problémák sok tekintetben a használt műholdak alacsony tartósságával függtek össze.
Jelenleg a GLONASS 24 műholdból áll, amelyek a pálya különböző pontjain működnek. Általánosságban elmondható, hogy a navigációs infrastruktúra három komponenssel reprezentálható: a vezérlőkomplexum (a konstelláció irányítását biztosítja a pályán), valamint a navigáció. technikai eszközökkel felhasználókat.
24 műhold, amelyek mindegyike saját állandó magassággal rendelkezik, több kategóriába sorolható. Minden féltekén 12 műhold található. A műholdpályák segítségével a földfelszín felett egy rácsot alakítanak ki, melynek jelei révén meghatározzák a pontos koordinátákat. Ezenkívül a műholdas GLONASS számos biztonsági mentési lehetőséggel rendelkezik. Emellett mindegyik a saját pályáján van, és nem tétlenkedik. Feladataik közé tartozik a lefedettség kiterjesztése egy adott régióra és a meghibásodott műholdak cseréje.
A GLONASS amerikai analógja a GPS-rendszer, amely szintén az 1980-as években kezdte meg munkáját, de csak 2000 óta tette lehetővé a koordináták meghatározásának pontosságát, hogy széles körben elterjesszék a fogyasztók körében. A mai napig a gps műholdak 2-3 méteres pontosságot garantálnak Késés a navigációs képességek fejlesztésében hosszú ideje mesterséges pozicionálási korlátok miatt következett be. Ennek ellenére eltávolításuk lehetővé tette a koordináták maximális pontosságú meghatározását. Még ha miniatűr vevőkkel szinkronizáljuk is, a GLONASS-nak megfelelő eredmény érhető el.
A navigációs rendszerek között számos különbség van. Különösen a műholdak elrendezésének és pályán való mozgásának természetében van különbség. A GLONASS komplexumban három síkon mozognak (mindegyikhez nyolc műhold), a GPS-rendszer pedig hat síkban (síkonként körülbelül négyen) biztosítja a munkát. Így az orosz rendszer szélesebb lefedettséget biztosít a földi területre, ami a nagyobb pontosságban is megmutatkozik. A gyakorlatban azonban a hazai műholdak rövid távú „élete” nem teszi lehetővé a GLONASS rendszerben rejlő lehetőségek teljes kihasználását. A GPS viszont nagy pontosságot tart fenn a redundáns műholdak száma miatt. Ennek ellenére az orosz komplexum rendszeresen vezet be új műholdakat, célzott felhasználásra és tartalék támogatásként egyaránt.
Ezenkívül különböző jelkódolási módszereket használnak - az amerikaiak a CDMA kódot, a GLONASS-ban pedig az FDMA-t használják. A helymeghatározási adatok vevők általi kiszámításakor az orosz műholdas rendszer bonyolultabb modellt biztosít. Ebből adódóan a GLONASS használata nagy energiafogyasztást igényel, ami az eszközök méreteiben is megmutatkozik.
A rendszer alapvető feladatai közé tartozik a GLONASS-szal kölcsönhatásba lépő objektum koordinátáinak meghatározása. A GPS ebben az értelemben hasonló feladatokat lát el. Különösen a földi, tengeri és légi objektumok mozgásának paramétereit számítják ki. A megfelelő navigátorral felszerelt jármű néhány másodperc alatt képes kiszámítani saját mozgásának jellemzőit.
Ugyanakkor bizonyos közlekedési kategóriáknál már kötelezővé vált a globális navigáció használata. Ha a 2000-es években a műholdas helymeghatározás elterjedése egyes stratégiai objektumok irányításával függött össze, akkor ma már a hajókat és repülőgépeket, a tömegközlekedést stb. szerelik fel vevőkészülékkel. nem kizárt.
A rendszer az éghajlati, területi és időbeli viszonyoktól függetlenül kivétel nélkül minden fogyasztói kategória számára képes folyamatos globális szolgáltatást nyújtani. A GPS rendszer szolgáltatásaihoz hasonlóan a GLONASS navigátort is ingyenesen biztosítjuk a világ bármely pontján.
A műholdjelek vételére alkalmas eszközök között nemcsak a fedélzeti navigációs segédeszközök és GPS-vevők találhatók, hanem a mobiltelefonok is. A hely-, irány- és sebességadatok egy speciális szerverre kerülnek GSM-hálózatokon keresztül. Egy speciális GLONASS program és különböző térképeket feldolgozó alkalmazások segítik a műholdas navigáció lehetőségeinek kihasználását.
A műholdas navigáció területi terjeszkedése a fogyasztói szempontból a két rendszer egyesüléséhez vezetett. A gyakorlatban a GLONASS eszközöket gyakran kiegészítik GPS-szel és fordítva, ami növeli a helymeghatározás és az időparaméterek pontosságát. Technikailag ez egy navigátorba integrált két érzékelő segítségével valósul meg. Ezen ötlet alapján kombinált vevőkészülékeket állítanak elő, amelyek egyidejűleg működnek a GLONASS-szal, a GPS-rendszerekkel és a kapcsolódó berendezésekkel.
Amellett, hogy javítja a meghatározás pontosságát, egy ilyen szimbiózis lehetővé teszi a hely nyomon követését, amikor az egyik rendszer műholdait nem rögzítik. Az orbitális objektumok minimális száma, amelyek „láthatósága” a navigátor működéséhez szükséges, három egység. Tehát, ha például a GLONASS program elérhetetlenné válik, akkor a gps műholdak segítenek.
Az Európai Unió, valamint India és Kína a GLONASS-hoz és a GPS-hez hasonló léptékű projekteket fejleszt. a 30 műholdból álló Galileo rendszer megvalósítását tervezi, amely felülmúlhatatlan pontosságot fog elérni. Indiában a tervek szerint hét műholdon keresztül működő IRNSS rendszert indítanak fel. A navigációs komplexum a hazai használatra orientált. A kínai fejlesztők Compass rendszerének két szegmensből kell állnia. Az első 5 műholdat tartalmaz, a második pedig 30-at. Ennek megfelelően a projekt szerzői két szolgáltatási formátumot feltételeznek.
Sok autótulajdonos használ navigátort autójában. Egyesek azonban nem tudnak két különböző műholdrendszer – az orosz GLONASS és az amerikai GPS – létezéséről. Ebből a cikkből megtudhatja, mi a különbség köztük, és melyiket kell előnyben részesíteni.
A navigációs rendszer elsősorban egy objektum (jelen esetben egy autó) helyzetének és sebességének meghatározására szolgál. Néha meg kell határozni más paramétereket is, például a tengerszint feletti magasságot.
Ezeket a paramétereket úgy számítja ki, hogy beállítja a távolságot maga a navigátor és a Föld körüli pályán lévő műholdak között. A rendszer hatékony működéséhez általában négy műholddal való szinkronizálás szükséges. Ezen távolságok változtatásával meghatározza a tárgy koordinátáit és a mozgás egyéb jellemzőit. A GLONASS műholdak nincsenek szinkronban a Föld forgásával, ami hosszú időn keresztül biztosítja stabilitásukat.
A navigációs rendszerek elsősorban katonai célú felhasználásukat feltételezték, és csak ezután váltak elérhetővé az átlagpolgárok számára. Nyilvánvalóan a katonaságnak saját állama fejlesztéseit kell használnia, mert egy külföldi navigációs rendszert konfliktus esetén az ország hatóságai kikapcsolhatnak. Sőt, Oroszországban a GLONASS rendszer mindennapi életben való alkalmazását kérik a katonai és köztisztviselők részéről.
A mindennapi életben egy hétköznapi autósnak egyáltalán nem kell aggódnia a navigációs rendszer kiválasztása miatt. Mind a GLONASS, mind a mindennapi használatra megfelelő navigációs minőséget biztosít. Oroszország északi területein és más, az északi szélességi körökben található államokban a GLONASS műholdak hatékonyabban működnek, mivel pályájuk magasabban van a Föld felett. Vagyis az Északi-sarkon, a skandináv országokban a GLONASS hatékonyabb, és ezt a svédek már 2011-ben felismerték. Más régiókban a GPS valamivel pontosabb a helymeghatározásban, mint a GLONASS. Az orosz differenciálkorrekciós és megfigyelési rendszer szerint a GPS-hibák 2-8 méter, a GLONASS-hibák 4-8 méter között mozogtak. De a GPS a hely meghatározásához 6-11 műholdat kell fogni, a GLONASS 6-7 műholdra elegendő.
Azt is meg kell jegyezni, hogy a GPS-rendszer 8 évvel korábban jelent meg, és a 90-es években komoly szakadékba került. Az elmúlt évtizedben pedig a GLONASS szinte teljesen csökkentette ezt a különbséget, és 2020-ra a fejlesztők ígérete szerint a GLONASS semmiben sem marad alább a GPS-nél.
A legtöbb modern egy kombinált rendszerrel van felszerelve, amely támogatja az orosz és az amerikai műholdas rendszert. Ezek az eszközök a legpontosabbak, és a legkisebb hibájuk van az autó koordinátáinak meghatározásában. A vett jelek stabilitása is nő, mert egy ilyen eszköz több műholdat „lát”. Másrészt az ilyen navigátorok árai sokkal magasabbak, mint az egyrendszerű társaik. Érthető - két chip van beléjük építve, amelyek képesek jeleket fogadni minden műholdtípustól.
Így a legpontosabb és legmegbízhatóbb navigátorok a kétrendszerű eszközök. Előnyeik azonban egy jelentős hátránnyal járnak - a költségekkel. Ezért a választás során gondolkodnia kell - szükség van-e ilyen nagy pontosságra a mindennapi használat során? Ezenkívül egy egyszerű autórajongó számára nem nagyon fontos, hogy melyik navigációs rendszert használja - orosz vagy amerikai. Sem a GPS, sem a GLONASS nem engedi, hogy eltévedjen, és elvigye a kívánt úti célhoz.
