Sistemi di navigazione satellitare GLONASS e GPS. Parte 1
E. Povalyaev, S. Khutornoy
Portiamo alla vostra attenzione una serie di articoli sui sistemi di radionavigazione satellitare Glonass (sistema satellitare di navigazione globale) e GPS (Global Positioning System). Il primo articolo della serie affronta i temi della costruzione e del funzionamento dei sistemi, della struttura e delle funzioni delle apparecchiature di consumo (ricevitori), degli algoritmi per risolvere un problema di navigazione e delle prospettive di sviluppo dei sistemi.
Sin dai tempi antichi, i viaggiatori si sono chiesti: come determinare la loro posizione sulla Terra? Gli antichi navigatori erano guidati dalle stelle che indicavano la direzione del movimento: conoscendo la velocità media e il tempo di percorrenza, era possibile navigare nello spazio e determinare la distanza dalla destinazione finale. Tuttavia, le condizioni meteorologiche non erano sempre nelle mani dei ricercatori, quindi non era difficile deviare dal percorso. Con l'avvento della bussola, il compito è stato notevolmente semplificato. Il viaggiatore era già meno dipendente dal tempo.
L'era della radio ha aperto nuove possibilità per l'uomo. Con l'avvento delle stazioni radar, quando è diventato possibile misurare i parametri di movimento e la posizione relativa di un oggetto dal raggio radar riflesso dalla sua superficie, è sorta la questione della possibilità di misurare i parametri di movimento di un oggetto dal segnale emesso . Nel 1957, in URSS, un gruppo di scienziati guidati da V.A. Kotelnikova ha confermato sperimentalmente la possibilità di determinare i parametri di movimento di un satellite terrestre artificiale (AES) sulla base dei risultati delle misurazioni dello spostamento di frequenza Doppler del segnale emesso da questo satellite. Ma, cosa più importante, è stata stabilita la possibilità di risolvere il problema inverso: trovare le coordinate del ricevitore dallo spostamento Doppler misurato del segnale emesso dal satellite, se sono noti i parametri di movimento e le coordinate di questo satellite. Quando si muove in orbita, il satellite emette un segnale di una certa frequenza, il cui valore è noto al lato ricevente (consumatore). La posizione del satellite in ogni momento è nota, più precisamente, può essere calcolata sulla base delle informazioni contenute nel segnale satellitare. L'utente, misurando la frequenza del segnale che gli è pervenuto, la confronta con quella di riferimento e calcola così lo spostamento di frequenza Doppler dovuto al movimento del satellite. Le misurazioni vengono effettuate continuamente, il che rende possibile comporre una sorta di funzione di cambio di frequenza Doppler. Ad un certo punto nel tempo, la frequenza diventa uguale a zero, e poi cambia segno. Nel momento in cui la frequenza Doppler è uguale a zero, l'utente si trova su una linea normale al vettore di moto del satellite. Utilizzando la dipendenza della pendenza della curva di frequenza Doppler dalla distanza tra l'utenza e il satellite e misurando il tempo in cui la frequenza Doppler è uguale a zero, è possibile calcolare le coordinate dell'utenza.
Pertanto, un satellite artificiale della Terra diventa una stazione di riferimento per la radionavigazione, le cui coordinate cambiano nel tempo a causa del movimento del satellite in orbita, ma possono essere calcolate in anticipo per qualsiasi momento a causa delle informazioni sulle effemeridi incorporate in il segnale di navigazione del satellite.
Nel 1958-1959 presso l'Accademia di ingegneria aeronautica di Leningrado (LVVIA). AF Mozhaisky, l'Istituto di astronomia teorica dell'Accademia delle scienze dell'URSS, l'Istituto di elettromeccanica dell'Accademia delle scienze dell'URSS, due istituti di ricerca marina e il Gorky NIRFI hanno svolto ricerche sul tema "Sputnik", che in seguito divenne la base per costruire il primo sistema domestico di navigazione satellitare a bassa orbita "Cicada". E nel 1963 iniziarono i lavori per la costruzione di questo sistema. Nel 1967 fu lanciato in orbita il primo satellite di navigazione domestico Kosmos-192. Una caratteristica dei sistemi satellitari di radionavigazione di prima generazione è l'uso di satelliti a bassa orbita e l'uso del segnale di un satellite attualmente visibile per misurare i parametri di navigazione di un oggetto. Successivamente, i satelliti del sistema Cicada sono stati dotati di apparecchiature di ricezione per il rilevamento di oggetti in pericolo.
Parallelamente a questo, dopo il successo del lancio del primo satellite terrestre artificiale da parte dell'URSS, negli USA presso il Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University sono in corso lavori relativi alla possibilità di misurare i parametri del segnale emesso da il satellite. Le misure sono utilizzate per calcolare i parametri del moto del satellite rispetto al punto di osservazione a terra. La soluzione del problema inverso è una questione di tempo.
Sulla base di questi studi, nel 1964, venne realizzato negli USA il sistema di radionavigazione satellitare Doppler di prima generazione "Transit". Il suo scopo principale è il supporto alla navigazione per il lancio di missili balistici Polaris dai sottomarini. Il direttore del Laboratorio di Fisica Applicata R. Kershner è considerato il padre del sistema. Il sistema è diventato disponibile per uso commerciale nel 1967. Proprio come nel sistema Cicada, nel sistema Transit le coordinate della sorgente sono calcolate dallo spostamento di frequenza Doppler del segnale di uno dei 7 satelliti visibili. I sistemi AES hanno orbite polari circolari con un'altezza sopra la superficie terrestre di ~ 1100 km, il periodo di rivoluzione dei satelliti Transit è di 107 minuti. L'accuratezza del calcolo delle coordinate della sorgente nei sistemi di prima generazione dipende in larga misura dall'errore nel determinare la velocità della sorgente. Quindi, se la velocità di un oggetto viene determinata con un errore di 0,5 m, questo, a sua volta, porterà a un errore nel determinare le coordinate di ~ 500 m Per un oggetto fermo, questo valore scende a 50 m.
Inoltre, in questi sistemi non è possibile il funzionamento continuo. A causa del fatto che i sistemi sono a bassa orbita, il tempo durante il quale il satellite si trova nel campo visivo del consumatore non supera un'ora. Inoltre, il tempo che intercorre tra il passaggio dei vari satelliti nella zona di visibilità dell'utente dipende dalla latitudine geografica alla quale si trova e può variare da 35 a 90 minuti. Ridurre questo intervallo aumentando il numero di satelliti è impossibile, perché tutti i satelliti emettono segnali alla stessa frequenza.
Di conseguenza, i sistemi di navigazione satellitare di seconda generazione presentano una serie di svantaggi significativi. Prima di tutto: l'insufficiente precisione nel determinare le coordinate degli oggetti dinamici. Un altro svantaggio è la mancanza di continuità nelle misurazioni.
Uno dei principali problemi che sorgono quando si creano sistemi satellitari che forniscono determinazioni di navigazione per più satelliti è la sincronizzazione reciproca dei segnali (scale temporali) dei satelliti con la precisione richiesta. La mancata corrispondenza dei generatori di riferimento dei satelliti di 10 ns porta a un errore nel determinare le coordinate del consumatore 10-15 m. Il secondo problema che gli sviluppatori hanno dovuto affrontare durante la creazione di sistemi di navigazione satellitare ad alta orbita è stata la determinazione e la previsione ad alta precisione dei parametri dell'orbita satellitare. L'apparecchiatura ricevente, misurando i ritardi dei segnali provenienti da diversi satelliti, calcola le coordinate dell'utenza.
A tal fine, nel 1967, la US Navy ha sviluppato un programma che ha lanciato il satellite TIMATION-I e, nel 1969, il satellite TIMATION-II. A bordo di questi satelliti sono stati utilizzati oscillatori di cristallo. Allo stesso tempo, l'aeronautica americana stava eseguendo il suo programma PRN (Pseudo Noise Code) a banda larga parallelo. Le proprietà di correlazione di tale codice consentono di utilizzare una frequenza di segnale per tutti i satelliti, con separazione del codice dei segnali provenienti da diversi satelliti. Successivamente, nel 1973, i due programmi furono fusi in uno sotto il nome di "Navstar-GPS". Nel 1996, l'implementazione del sistema è stata completata. Attualmente sono disponibili 28 satelliti attivi.
In URSS, i test di volo del sistema di navigazione satellitare ad alta orbita Glonass sono iniziati nel 1982 con il lancio del satellite Kosmos-1413. Il principale sviluppatore e creatore del sistema nel suo insieme e per il segmento spaziale è NPO Applied Mechanics (Krasnoyarsk) e per il veicolo spaziale di navigazione - PA "Polyot" (Omsk). Il principale sviluppatore di complessi di ingegneria radio è RNIIKP; L'Istituto russo di radionavigazione e tempo è stato nominato responsabile della creazione di un complesso temporaneo, un sistema di sincronizzazione e apparecchiature di navigazione per i consumatori.
Il sistema Glonass è progettato per la navigazione operativa globale di oggetti in movimento di superficie. SRNSS è stato sviluppato per ordine del Ministero della Difesa. In termini di struttura, Glonass, come il GPS, è considerato un sistema a doppia azione, ovvero può essere utilizzato sia per scopi militari che civili.
Il sistema nel suo insieme comprende tre parti funzionali (nella letteratura professionale queste parti sono chiamate segmenti) (Fig. 1).
Figura 1. Segmenti dei sistemi di navigazione ad orbita alta Glonass e GPS
Di queste tre parti, l'ultima, l'apparecchiatura utente, è la più numerosa. Il sistema GLONASS è senza richiesta, quindi il numero di utenti del sistema non ha importanza. Oltre alla funzione principale - definizioni di navigazione - il sistema consente la sincronizzazione reciproca ad alta precisione degli standard di frequenza e tempo su oggetti terrestri remoti e il riferimento geodetico reciproco. Inoltre, può essere utilizzato per determinare l'orientamento di un oggetto in base alle misurazioni effettuate da quattro ricevitori di segnali satellitari per la navigazione.
Nel sistema Glonass, i veicoli spaziali di navigazione (NSV) sono utilizzati come stazione di riferimento per la radionavigazione, ruotando in un'orbita geostazionaria circolare a un'altitudine di ~ 19100 km (Fig. 2). Il periodo di rivoluzione di un satellite attorno alla Terra è, in media, di 11 ore e 45 minuti. La durata del satellite è di 5 anni, durante i quali i parametri della sua orbita non dovrebbero differire dai valori nominali di oltre il 5%. Il satellite stesso è un contenitore ermetico con un diametro di 1,35 me una lunghezza di 7,84 m, all'interno del quale sono collocate apparecchiature di vario genere. Tutti i sistemi sono alimentati da pannelli solari. La massa totale del satellite è di 1415 kg. L'equipaggiamento di bordo comprende: un trasmettitore di navigazione a bordo, un timer (orologio), un complesso di controllo a bordo, un sistema di orientamento e stabilizzazione e così via.
Figura 2. Segmento spaziale dei sistemi GLONASS e GPS
Figura 3. Segmento del complesso di controllo a terra del sistema GLONASS
Figura 4. Segmento del complesso di controllo a terra del sistema GPS
Il segmento del complesso di controllo a terra del sistema GLONASS svolge le seguenti funzioni:
Per sincronizzare le scale temporali di vari satelliti con la precisione richiesta, a bordo dell'NSC vengono utilizzati standard di frequenza del cesio con una relativa instabilità dell'ordine di 10-13. Il complesso di controllo a terra utilizza uno standard di idrogeno con un'instabilità relativa di 10-14. Inoltre, il GCC include mezzi per correggere le scale temporali dei satelliti relative alla scala di riferimento con un errore di 3–5 ns.
Il segmento di terra fornisce il supporto delle effemeridi per i satelliti. Ciò significa che i parametri del movimento del satellite sono determinati a terra e i valori di questi parametri sono previsti per un periodo di tempo prestabilito. I parametri e la loro previsione sono inclusi nel messaggio di navigazione trasmesso dal satellite insieme alla trasmissione del segnale di navigazione. Ciò include anche le correzioni tempo-frequenza della scala temporale a bordo del satellite rispetto all'ora del sistema. La misurazione e la previsione dei parametri di movimento del satellite vengono effettuate nel centro balistico del sistema sulla base dei risultati delle misurazioni della traiettoria della distanza dal satellite e della sua velocità radiale.
americano Sistema GPS a modo loro funzionalità simile al sistema domestico Glonass. Il suo scopo principale è una determinazione ad alta precisione delle coordinate del consumatore, componenti del vettore di velocità e associazione alla scala temporale del sistema. Simile a quello domestico, il sistema GPS è stato sviluppato per il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ed è sotto il suo controllo. Secondo il documento di controllo dell'interfaccia, i principali sviluppatori del sistema sono:
Come il sistema Glonass, il GPS è costituito da un segmento spaziale, un complesso di comando e misurazione a terra e un segmento di consumatori.
Come accennato in precedenza, la costellazione GPS è composta da 28 veicoli spaziali di navigazione. Tutti loro sono in orbite circolari con un periodo di rivoluzione attorno alla Terra, pari a 12 ore. L'altezza dell'orbita di ciascun satellite è di ~ 20000 km. Gli NSC del sistema GPS hanno subito una serie di miglioramenti che hanno influito sulle loro prestazioni in generale. A tavola. 1 sono dati brevi caratteristiche veicolo spaziale utilizzato nel sistema.
Tabella 1. Caratteristiche del veicolo spaziale utilizzato nel sistema GPS
| Tipo NCA | Massa in orbita | Potenza delle fonti energetiche, W | Periodo stimato di esistenza attiva | Anno di lancio del primo NSC |
| Blocco-I | 525 | 440 | - | 1978 |
| Blocco II | 844 | 710 | 5 | 1989 |
| Blocco-IIR | 1094 | 1250 | 7,5 | 1997 |
| Blocco-IIF | - | - | 14–15 | 2001–2002 |
Tabella 2. Caratteristiche comparative dei sistemi GLONASS e GPS
| Indice | GLONASS | GPS |
| Il numero di veicoli spaziali nella costellazione orbitale completa | 24 | 24 |
| Numero di piani orbitali | 3 | 6 |
| Numero di veicoli spaziali in ogni aereo | 8 | 4 |
| Inclinazione orbitale | 64,8º | 55º |
| Altezza dell'orbita, km | 19 130 | 20 180 |
| Periodo orbitale del satellite | 11:15 44 sec | 11 ore 58 min. 00 sec |
| Sistema di coordinate | PZ-90 | WGS-84 |
| Peso del veicolo spaziale di navigazione, kg | 1450 | 1055 |
| Potenza pannelli solari, W | 1250 | 450 |
| Durata dell'esistenza attiva, anni | 3 | 7,5 |
| Mezzi per lanciare un veicolo spaziale in orbita | "Protone-K/DM" | Delta 2 |
| Il numero di veicoli spaziali visualizzati in un lancio | 3 | 1 |
| spazioporto | Baikonur (Kazakistan) | Capo Canaveral |
| Tempo di riferimento | UTC(SU) | UTC (NO) |
| Metodo di accesso | FDMA | CDMA |
| Frequenza portante: L1 L2 |
1598,0625-1604,25 7/9 L1 |
1575,42 60/77 L1 |
| Polarizzazione | mano destra | mano destra |
| Tipo di sequenza PN | sequenza m | codice oro |
| Numero di elementi di codice: CIRCA P |
511 51 1000 |
1023 2.35x1014 |
| Velocità di codifica, Mbps: CIRCA P |
0,511 5,11 |
1,023 10,23 |
| Livello di interferenza radio intrasistema, dB | -48 | -21,6 |
| Struttura del messaggio di navigazione | ||
| Velocità di trasferimento, bps | 50 | 50 |
| Tipo di modulazione | BPSK (Manchester) | BPSK NRZ |
| Lunghezza supertelaio, min. | 2,5 (5 fotogrammi) | 12,5 (25 fotogrammi) |
| Lunghezza telaio, s | 30 (15 linee) | 30 (5 righe) |
| Lunghezza della linea, s | 2 | 6 |
Quando si progetta il sistema nel suo insieme e l'SV in particolare, viene prestata molta attenzione alle questioni del funzionamento autonomo. Pertanto, il veicolo spaziale di prima generazione (Block-I) ha assicurato il normale funzionamento del sistema (ovvero, senza errori significativi nella determinazione delle coordinate) senza l'intervento del segmento di controllo per 3-4 giorni. Nei dispositivi Block-II, questo periodo è stato esteso a 14 giorni. IN nuova modifica NSC Blok-IIR consente il funzionamento autonomo per 180 giorni senza regolare i parametri dell'orbita da terra, utilizzando solo un complesso autonomo per la sincronizzazione reciproca dei satelliti. I dispositivi Block-IIF dovrebbero essere utilizzati al posto del Block-IIR esaurito.
Il sistema Glonass utilizza la divisione di frequenza dei segnali (FDMA) emessi da ciascun satellite: due segnali con cambio di fase. La frequenza del primo segnale è compresa nell'intervallo L1 ~ 1600 MHz e la frequenza del secondo segnale è compresa nell'intervallo L2 ~ 1250 MHz. I valori nominali delle frequenze operative dei segnali radio trasmessi nelle bande L1 e L2 sono determinati dall'espressione:
f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)
dove k = 0,1,...,24 - numeri di lettere (canali) delle frequenze operative dei satelliti;
f1 = 1602 MHz; D f 1 \u003d 9/16 \u003d 0,5625 MHz;
f 2 = 1246 MHz; Ref2 = 7/16 = 0,4375 MHz.
Per ogni satellite, le frequenze operative dei segnali nelle bande L1 e L2 sono coerenti e sono formate da un riferimento di frequenza. Il rapporto tra le frequenze operative del vettore di ciascun satellite:
RE f k1 / RE f k2 = 7/9.
Il valore nominale della frequenza del generatore di bordo, dal punto di vista di un osservatore posto sulla superficie terrestre, è di 5,0 MHz.
Nella gamma L1, ogni satellite del sistema Glonass emette 2 portanti alla stessa frequenza, sfasate l'una rispetto all'altra di 90º (Fig. 5).
Figura 5. Diagramma vettoriale dei segnali portanti GLONASS e GPS
Uno dei portanti subisce una manipolazione di sfasamento di 180º. Il segnale modulante è ottenuto dalla somma modulo 2 di tre segnali binari (Fig. 6):
Figura 6. Struttura del segnale GLONASS
Il segnale nella gamma L1 (simile al codice C/A nel GPS) è disponibile per tutti gli utenti all'interno del raggio di visibilità del veicolo spaziale. Il segnale nella banda L2 è destinato alle esigenze militari e la sua struttura non è divulgata.
Il messaggio di navigazione è formato sotto forma di righe successive, ciascuna della durata di 2 s. Nella prima parte della stringa (intervallo 1,7 s) vengono trasmessi i dati di navigazione e nella seconda (0,3 s) il Time Mark. È una sequenza pseudo-casuale abbreviata composta da 30 simboli con una frequenza di clock di 100 bps.
I messaggi di navigazione dei satelliti del sistema Glonass sono necessari per i consumatori per le definizioni di navigazione e la pianificazione delle sessioni di comunicazione con i satelliti. In base al loro contenuto, i messaggi di navigazione sono suddivisi in informazioni operative e non operative.
Le informazioni operative si riferiscono al satellite dal cui segnale sono state ricevute. Le informazioni operative includono:
Il tempo di rilegatura delle informazioni sulle effemeridi e le correzioni frequenza-tempo, che hanno una molteplicità di mezz'ora dall'inizio della giornata, consentono di determinare con precisione le coordinate geografiche e la velocità del satellite.
Le informazioni non operative contengono un almanacco che include:
La scelta della "costellazione" ottimale della navicella e la previsione dello spostamento Doppler della frequenza portante viene fornita analizzando l'almanacco del sistema.
I messaggi di navigazione dei satelliti del sistema Glonass sono strutturati sotto forma di superframe con una durata di 2,5 minuti. Un superframe è composto da cinque frame con una durata di 30 s. Ogni frame contiene 15 linee con una durata di 2 s. Dei 2 s di durata della linea, gli ultimi 0,3 s sono occupati dal timestamp. Il resto della riga contiene 85 simboli di informazioni digitali trasmesse a una frequenza di 50 Hz.
Come parte di ogni frame, viene trasmessa l'intera quantità di informazioni operative e parte dell'almanacco del sistema. L'almanacco completo è contenuto nell'intero superframe. In questo caso, l'informazione di superframe contenuta nelle righe 1-4 si riferisce al satellite da cui proviene (parte operativa) e non cambia all'interno del superframe.
Il sistema GPS utilizza la segnalazione a divisione di codice (CDMA), quindi tutti i satelliti emettono segnali alla stessa frequenza. Ogni satellite GPS emette due segnali con cambio di fase. La frequenza del primo segnale è L1 = 1575,42 MHz e la seconda - L2 = 1227,6 MHz. Il segnale di frequenza portante L1 è modulato da due sequenze binarie, ciascuna delle quali è formata dalla sommatoria modulo 2 del codice di range e dei dati di sistema e di navigazione trasmessi, generati ad una velocità di 50 bit/s. Alla frequenza L1 vengono trasmesse due componenti in quadratura, manipolate bifasicamente con sequenze binarie. La prima sequenza è la somma modulo 2 del codice preciso P o del codice segreto Y e dei dati di navigazione. La seconda sequenza è anche la somma modulo 2 del codice grossolano C/A (aperto) e della stessa sequenza di dati di navigazione.
Il segnale radio alla frequenza L2 viene manipolato bifasicamente da una sola delle due sequenze considerate in precedenza. La scelta della sequenza modulante viene effettuata su comando da Terra.
Ciascun satellite utilizza i propri codici di telemetro C/A e P(Y), che consentono di separare i segnali satellitari. Nel processo di formazione di un codice P(Y) accurato, vengono formati simultaneamente i timestamp del segnale satellitare.
La suddivisione strutturale delle informazioni di navigazione dei satelliti GPS viene effettuata in superframe, frame, subframe e parole. Un superframe è formato da 25 frame e impiega 750 s (12,5 min). Un frame viene trasmesso per 30 se ha una dimensione di 1500 bit. La trama è suddivisa in 5 sottotrame di 300 bit ciascuna e viene trasmessa in un intervallo di 6 s. L'inizio di ogni subframe denota un timestamp corrispondente all'inizio/fine del successivo intervallo di 6 s dell'ora del sistema GPS. Un subframe consiste di 10 parole a 30 bit. In ogni parola, i 6 bit meno significativi sono i bit di controllo.
Nel 1°, 2° e 3° sottoframe vengono trasmessi i dati sui parametri di correzione dell'orologio e i dati sulle effemeridi del veicolo spaziale con cui viene stabilita la comunicazione. Il contenuto e la struttura di questi sottoframe rimangono gli stessi in tutte le pagine del superframe. Il 4° e il 5° sottoframe contengono informazioni sulla configurazione e lo stato di tutti gli SC del sistema, gli almanacchi SC, i messaggi speciali, i parametri che descrivono la relazione tra l'ora GPS e l'UTC e così via.
Il segmento dei consumatori di sistemi GPS e GLONASS comprende ricevitori di segnali satellitari. Misurando i parametri di questi segnali, il problema della navigazione è risolto. Il ricevitore può essere suddiviso in tre parti funzionali:
Dall'uscita del dispositivo di alimentazione dell'antenna (antenna), il segnale entra nella parte in radiofrequenza (Fig. 7). Il compito principale di questa parte è amplificare il segnale di ingresso, il filtraggio, la conversione di frequenza e la conversione da analogico a digitale. Inoltre, la parte in radiofrequenza del ricevitore riceve la frequenza di clock per la parte digitale del ricevitore. Dall'uscita della parte in radiofrequenza, le letture digitali del segnale di ingresso vengono inviate all'ingresso del correlatore digitale.
Figura 7. Struttura generalizzata del ricevitore
Nel correlatore, lo spettro del segnale viene trasferito alla frequenza "zero". Questo viene fatto moltiplicando il segnale di ingresso del correlatore con l'oscillazione armonica di riferimento nei canali in fase e in quadratura. Inoltre, il risultato della moltiplicazione subisce l'elaborazione di correlazione moltiplicandosi con il codice di allineamento di riferimento e accumulandosi nel periodo del codice di allineamento. Di conseguenza, otteniamo gli integrali di correlazione I e Q. Le letture degli integrali di correlazione vengono inviate al processore per l'ulteriore elaborazione e la chiusura degli anelli PLL (anello ad aggancio di fase) e CVD (circuito di tracciamento del ritardo). Le misurazioni dei parametri del segnale nel ricevitore vengono effettuate non direttamente dal segnale di ingresso, ma dalla sua copia esatta, formata dai sistemi PLL e SSZ. Gli integrali di correlazione I e Q consentono di stimare il grado di "somiglianza" (correlazione) tra il segnale di riferimento e quello di ingresso. Il compito del correlatore, oltre alla formazione degli integrali I e Q, è quello di formare un segnale di riferimento in accordo con le azioni di controllo (codici di controllo) provenienti dall'elaboratore. Inoltre, in alcuni ricevitori, il correlatore genera le misurazioni necessarie dei segnali di riferimento e le trasferisce al processore per ulteriori elaborazioni. Allo stesso tempo, poiché i segnali di riferimento nel correlatore sono formati secondo i codici di controllo provenienti dall'elaboratore, le misure necessarie dei segnali di riferimento possono essere effettuate direttamente nell'elaboratore, elaborando i codici di controllo in modo appropriato, ovvero fatto in molti ricevitori moderni.
Quali parametri del segnale sono misurati dal correlatore (processore)?
L'intervallo nelle misurazioni radiotecniche è caratterizzato dal tempo di propagazione del segnale dall'oggetto di misurazione al punto di misurazione. Nei sistemi di navigazione GPS/GLONASS l'emissione dei segnali è sincronizzata con la scala temporale del sistema, più precisamente con la scala temporale del satellite che emette tale segnale. Allo stesso tempo, l'utente ha informazioni sulla discrepanza tra la scala temporale del satellite e del sistema. Le informazioni digitali trasmesse dal satellite consentono di impostare il momento di emissione di un determinato frammento del segnale (timestamp) da parte del satellite nell'ora del sistema. Il momento della ricezione di questo frammento è determinato dalla scala temporale del ricevitore. La scala temporale del ricevitore (consumatore) è formata utilizzando standard di frequenza al quarzo, quindi c'è un "abbandono" costante della scala temporale del ricevitore rispetto alla scala temporale del sistema. La differenza tra l'istante di ricezione di un frammento di segnale, conteggiato sulla scala temporale del ricevitore, e l'istante di emissione da parte del suo satellite, conteggiato sulla scala del satellite, moltiplicato per la velocità della luce, si chiama pseudointervallo. Perché pseudorange? Perché differisce dalla portata reale di una quantità pari al prodotto della velocità della luce e della "partenza" della scala temporale del ricevitore rispetto alla scala temporale del sistema. Quando si risolve un problema di navigazione, questo parametro viene determinato insieme alle coordinate del consumatore (ricevitore).
Gli integrali di correlazione formati nel correlatore consentono di tracciare la modulazione del segnale satellitare mediante simboli informativi e calcolare il timestamp nel segnale di ingresso. I timestamp seguono a intervalli di 6 s per GPS e 2 s per GLONASS e formano una sorta di scala di 6 (2) secondi. All'interno di una divisione di questa scala, i periodi del codice di distanza formano una scala di 1 ms. Un millisecondo è diviso, a sua volta, in elementi separati (chip, nella terminologia GPS): per GPS - 1023, per GLONASS - 511. Pertanto, gli elementi del codice di distanza consentono di determinare la portata del satellite con un errore di ~ 300 M. Per una determinazione più accurata è necessario conoscere la fase del generatore del codice di distanza. Gli schemi per la costruzione dei generatori di riferimento del correlatore consentono di determinarne la fase con una precisione fino a 0,01 periodo, che è una precisione nel determinare lo pseudointervallo di 3 m.
Sulla base delle misurazioni dei parametri dell'oscillazione armonica di riferimento generata dal sistema PLL, vengono determinate la frequenza e la fase dell'oscillazione della portante del satellite. La sua partenza rispetto al valore nominale darà uno spostamento di frequenza Doppler, con il quale viene stimata la velocità del consumatore rispetto al satellite. Inoltre, le misurazioni di fase della portante consentono di affinare la portata del satellite con un errore di alcuni mm.
Per determinare le coordinate dell'utenza è necessario conoscere le coordinate dei satelliti (almeno 4) e la distanza dall'utenza a ciascun satellite visibile. Affinché il consumatore possa determinare le coordinate dei satelliti, i segnali di navigazione da essi emessi sono modellati da messaggi sui parametri del loro movimento. Nell'apparecchiatura del consumatore, questi messaggi vengono selezionati e le coordinate dei satelliti vengono determinate nel momento desiderato.
Le coordinate e le componenti del vettore di velocità cambiano molto rapidamente, quindi i messaggi sui parametri di movimento dei satelliti contengono informazioni non sulle loro coordinate e componenti del vettore di velocità, ma informazioni sui parametri di un certo modello che approssima la traiettoria di movimento SC su un intervallo di tempo sufficientemente lungo (circa 30 minuti). I parametri del modello di approssimazione cambiano piuttosto lentamente e possono essere considerati costanti nell'intervallo di approssimazione.
I parametri del modello di approssimazione sono inclusi nei messaggi di navigazione satellitare. Il sistema GPS utilizza il modello di moto kepleriano con elementi osculatori. In questo caso, la traiettoria di volo del veicolo spaziale è suddivisa in segmenti di approssimazione della durata di un'ora. Al centro di ogni sezione è fissato un momento chiave il cui valore viene comunicato al consumatore delle informazioni di navigazione. Inoltre, il consumatore viene informato dei parametri del modello degli elementi osculatori nel momento nodale, nonché dei parametri delle funzioni che approssimano le variazioni dei parametri del modello degli elementi osculatori nel tempo sia prima che dopo l'elemento nodale.
Nell'apparecchiatura di consumo, viene assegnato un intervallo di tempo tra il momento di tempo per il quale deve essere determinata la posizione del satellite e il momento nodale. Quindi, utilizzando le funzioni di approssimazione e i loro parametri estratti dal messaggio di navigazione, vengono calcolati i valori dei parametri del modello degli elementi osculatori nel punto temporale desiderato. Nell'ultima fase, utilizzando le consuete formule del modello kepleriano, vengono determinate le coordinate e le componenti del vettore velocità del satellite.
Il sistema Glonass utilizza modelli di movimento differenziali per determinare la posizione esatta di un satellite. In questi modelli, le coordinate e le componenti del vettore velocità del satellite sono determinate dall'integrazione numerica di equazioni differenziali del moto del veicolo spaziale, che tengono conto di un numero finito di forze che agiscono sul veicolo spaziale. Le condizioni iniziali di integrazione sono fissate al momento nodale del tempo, che si trova nel mezzo dell'intervallo di approssimazione.
Come accennato in precedenza, per determinare le coordinate del consumatore, è necessario conoscere le coordinate dei satelliti (almeno 4) e la distanza dal consumatore a ciascun satellite visibile, che viene determinata nel ricevitore di navigazione con una precisione di circa 1 m Si consideri per comodità il caso "piatto" più semplice mostrato in Fig. . 8.
Figura 8. Determinazione delle coordinate del consumatore
Ogni satellite (Fig. 8) può essere rappresentato come un punto emettitore. In questo caso, il fronte dell'onda elettromagnetica sarà sferico. Il punto di intersezione delle due sfere sarà quello in cui si trova il consumatore.
L'altezza delle orbite dei satelliti è di circa 20.000 km. Pertanto, il secondo punto di intersezione dei cerchi può essere scartato a causa di informazioni a priori, poiché è lontano nello spazio.
I sistemi di navigazione satellitare consentono al consumatore di ottenere coordinate con una precisione di circa 10-15 M. Tuttavia, per molte attività, in particolare per la navigazione nelle città, è necessaria una maggiore precisione. Uno dei metodi principali per migliorare l'accuratezza della determinazione della posizione di un oggetto si basa sull'applicazione del principio delle misurazioni di navigazione differenziale note nella navigazione radio.
La modalità differenziale DGPS (Differential GPS) consente di impostare le coordinate con una precisione fino a 3 m in un ambiente di navigazione dinamico e fino a 1 m in condizioni stazionarie. La modalità differenziale viene implementata utilizzando un ricevitore di controllo GPS chiamato stazione di riferimento. Si trova in un punto con coordinate note, nella stessa area del ricevitore GPS principale. Confrontando le coordinate note (ottenute a seguito di rilievi geodetici di precisione) con quelle misurate, la stazione di riferimento calcola le correzioni che vengono trasmesse ai consumatori tramite un canale radio in un formato prestabilito.
L'utenza riceve correzioni differenziali dalla stazione di riferimento e ne tiene conto per determinare l'ubicazione dell'utenza.
I risultati ottenuti utilizzando il metodo differenziale dipendono in gran parte dalla distanza tra l'oggetto e la stazione di riferimento. L'applicazione di questo metodo è più efficace quando prevalgono errori sistematici dovuti a cause esterne (in relazione al destinatario). Secondo i dati sperimentali, si consiglia di localizzare la stazione di riferimento a non più di 500 km dall'oggetto.
Attualmente, ci sono molti sistemi differenziali ad ampio raggio, regionali e locali.
Come sistemi ad ampio raggio, vale la pena notare sistemi come il WAAS americano, l'EGNOS europeo e il MSAS giapponese. Questi sistemi utilizzano satelliti geostazionari per trasmettere le correzioni a tutti gli utenti all'interno della loro area di copertura.
I sistemi regionali sono progettati per fornire supporto alla navigazione per singole sezioni della superficie terrestre. Tipicamente, i sistemi regionali sono utilizzati nelle grandi città, sulle autostrade e sui fiumi navigabili, nei porti e lungo le coste dei mari e degli oceani. Il diametro della zona di lavoro del sistema regionale è solitamente compreso tra 500 e 2000 km. Può includere una o più stazioni di riferimento.
I sistemi locali hanno una portata massima da 50 a 220 km. Di solito ne includono uno stazione base. I sistemi locali sono generalmente suddivisi in base al modo in cui vengono utilizzati: stazioni differenziali locali marittime, aeronautiche e geodetiche.
La direzione generale della modernizzazione dei sistemi satellitari GPS e Glonass è associata ad un aumento dell'accuratezza delle definizioni di navigazione, un miglioramento del servizio fornito agli utenti, un aumento della durata e dell'affidabilità delle apparecchiature di bordo dei satelliti, un miglioramento in compatibilità con altri sistemi di ingegneria radio e lo sviluppo di sottosistemi differenziali. La direzione generale di sviluppo dei sistemi GPS e Glonass coincide, ma le dinamiche ei risultati raggiunti sono molto diversi.
Il miglioramento del sistema GLONASS dovrebbe essere effettuato sulla base dei satelliti di nuova generazione GLONASS-M. Questo satellite avrà una maggiore durata ed emetterà un segnale di navigazione in banda L2 per applicazioni civili.
Analoga decisione è stata presa negli Stati Uniti, dove il 5 gennaio 1999 sono stati annunciati 400 milioni di dollari per l'ammodernamento del sistema GPS relativo alla trasmissione del codice C/A alla frequenza L2 (1222,7 MHz) e l'introduzione della terza portante L3 (1176, 45 MHz) su veicolo spaziale che sarà lanciato dal 2005. Il segnale sulla frequenza L2 è previsto per essere utilizzato per scopi civili, non direttamente correlati al pericolo per la vita umana. Si propone di iniziare a implementare questa soluzione a partire dal 2003. Si è deciso di utilizzare il terzo segnale civile alla frequenza L3 per le esigenze dell'aviazione civile.
Letteratura
Oggi la navigazione è una cosa necessaria e molto popolare. Negli ultimi anni, i chip di navigazione nei gadget mobili e in altri dispositivi elettronici sono diventati all'ordine del giorno. Esistono sistemi di navigazione GPS e GLONASS, diamo un'occhiata a cosa è ciascuno di essi e studiamo i principi di funzionamento.
GPS (acronimo di Global Positioning System, Global Positioning System) è un sistema di navigazione satellitare che misura la distanza, il tempo e determina la posizione nel sistema di coordinate mondiali WGS 84. Questo sistema consente di determinare la posizione e la velocità degli oggetti quasi ovunque nel mondo (ad eccezione delle regioni polari).
Lo sviluppo del GPS è iniziato negli anni '50 per il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, ma ora la tecnologia è utilizzata non solo dai militari, ma anche nella vita di tutti i giorni. A quel tempo, l'URSS lanciò il primo satellite artificiale della Terra e gli scienziati americani che osservarono questo evento notarono che a causa dell'effetto Doppler, la frequenza del segnale ricevuto aumenta con l'avvicinarsi del satellite e diminuisce con l'aumentare della sua distanza. Sono giunti alla conclusione che se disponi di informazioni sulle tue coordinate esatte sulla Terra, puoi misurare la posizione e la velocità del satellite e, sapendo dove si trova il satellite, puoi calcolare la tua velocità e le tue coordinate.
Il sistema GPS è costituito da satelliti artificiali che ruotano nell'orbita terrestre media (sistema satellitare NAVSTAR sviluppato negli USA) e stazioni di monitoraggio a terra combinate in rete comune. I satelliti trasmettono continuamente alla Terra un segnale di navigazione che include un "codice pseudo-casuale", dati sulle effemeridi (coordinate previste e parametri di movimento del satellite in un determinato momento) e un almanacco (dati per il calcolo della posizione approssimativa del satellite) . Questo segnale viene ricevuto dai dispositivi GPS dell'abbonato che, in base alle informazioni ricevute, calcolano la loro geolocalizzazione.
Uno degli svantaggi Tecnologia GPSè una velocità dati bassa (fino a 50 bps), motivo per cui il processo di calcolo delle coordinate può richiedere diversi minuti. Inoltre, il sistema GPS è inefficace per determinare le coordinate di un dispositivo che si trova al chiuso, in un'area circondata da edifici alti, in foreste e parchi, tunnel, ecc.
Per eliminare questi problemi ed essere in grado di determinare le coordinate di qualsiasi dispositivo mobile Nasce la tecnologia A-GPS (Assisted GPS). Quando lo si utilizza, il ricevitore GPS riceve dati non dai satelliti, ma da fonti esterne (di norma si tratta di reti operatori di telefonia mobile), e sono necessari meno di 2 secondi per riconoscere il segnale A-GPS.
Gli autori dell'idea di creare A-GPS furono gli ingegneri Jimi Sennota e Ralph Taylor, che nel 1981 brevettarono il loro sviluppo. Il sistema è stato introdotto nell'ottobre 2001 negli Stati Uniti, dove ha iniziato ad essere utilizzato sulla rete di soccorso 911.
A-GPS è costituito da un ricevitore GPS integrato e da componenti di rete rete mobile. Sono disponibili due modalità per A-GPS: A-GPS Online (primario) e A-GPS Offline (ausiliario). Il primo consente di ottenere informazioni sulle coordinate dei satelliti se è necessario determinare rapidamente la geoposizione se il ricevitore GPS non ha funzionato per più di 2 ore. La seconda modalità accelera i tempi di avvio "caldo" e "freddo" del ricevitore GPS. Il ricevitore A-GPS aggiorna l'almanacco, le effemeridi e l'elenco dei satelliti visibili.
Nonostante la sua efficacia, la tecnologia A-GPS presenta una serie di svantaggi, in particolare la funzione di avvio rapido non funziona al di fuori della copertura della rete cellulare. Alcuni ricevitori compatibili con A-GPS sono forniti in bundle con una radio GSM e non possono avviarsi se quest'ultima è disabilitata. In questo caso, il ricevitore A-GPS può avviarsi senza copertura GSM (GPRS). All'avvio, i moduli A-GPS consumano poco traffico (5-7 KB), ma in caso di perdita del segnale sarà necessaria la risincronizzazione, che comporterà un aumento del consumo energetico, soprattutto durante il roaming.
Attualmente esistono due sistemi di navigazione satellitare nel mondo: il GPS e il GLONASS (Global Navigation Satellite System) sopra descritti. In effetti, quest'ultima è la versione russa del GPS. Per analogia con il GPS, GLONASS determina le coordinate tridimensionali (latitudine, altitudine, longitudine) in tutto il mondo.
L'inizio dello sviluppo del sistema satellitare sovietico in quel momento risale al dicembre 1976. Nell'ottobre 1982, con il lancio del satellite Hurricane nell'orbita GLONASS, iniziarono i primi test del sistema. Inizialmente fu concepito per scopi militari, ma in seguito iniziò ad essere utilizzato per scopi civili. Ora i ricevitori GLONASS sono equipaggiati con navi e aerei civili/militari, trasporti pubblici, automobili servizi di emergenza eccetera. I segnali GLONASS vengono ricevuti non solo dai ricevitori GPS, dai navigatori di bordo, ma anche Telefono cellulare. I dati sulla posizione, la velocità e la direzione del movimento vengono inviati al server di raccolta dati tramite la rete dell'operatore GSM.
L'uso civile del sistema GLONASS è iniziato nel 1993, nel 1995 sono stati lanciati in orbita 24 satelliti e nel 2010 il loro numero è salito a 26. Per lo sviluppo del sistema nel periodo dal 2012 al 2020, il governo russo ha stanziato 320 miliardi di rubli , anche per la realizzazione di 15 satelliti Glonass-M e 22 satelliti Glonass-K. Il lavoro sul sistema GLONASS è stato completato nel dicembre 2015.
I satelliti GLONASS ruotano a un'altitudine di 19,1 mila km sopra la Terra. I ricevitori GLONASS consentono di determinare le coordinate orizzontali (con una precisione di 50-70 m) e verticali (70 m), il vettore velocità (con una precisione di 15 cm/sec), il tempo con una precisione di 0,7 µs. Il sistema utilizza due tipi di segnali di navigazione: aperti con precisione normale e protetti con maggiore precisione. Il primo può ricevere qualsiasi ricevitore GLONASS, mentre il secondo può ricevere solo utenti autorizzati, ad esempio apparecchiature delle forze armate RF.
ERA-GLONASS è il sistema russo di risposta alle emergenze in caso di incidenti e altre emergenze sulla strada, che consente di informare il servizio di risposta alle emergenze dell'incidente il prima possibile. ERA-GLONASS opera sulla base del sistema satellitare GLONASS. Il complesso è stato messo in funzione nel 2015 e dal 1 gennaio 2017 le case automobilistiche sono tenute a installare questo sistema sui loro veicoli che entrano nel mercato russo. Questo sistema riduce i tempi di risposta per incidenti ed emergenze, il che porta a una diminuzione del numero di morti, feriti sulle strade e un aumento del traffico merci/passeggeri.
"ERA-GLONASS" comprende due componenti: l'infrastruttura dell'operatore (piattaforma di navigazione e informazione, rete di trasmissione dati, rete operatore di telefonia mobile) e dispositivi di cui sono dotati i veicoli. In caso di incidente (il sistema riconosce Vari tipi collisione - urto frontale, laterale o posteriore), il dispositivo determina la gravità dell'incidente, la posizione del veicolo interessato sulla base dei dati provenienti dai satelliti dei sistemi GLONASS e/o GPS, stabilisce la comunicazione con il sistema ERA-GLONASS e trasmette informazioni sull'incidente. Il segnale ha uno stato prioritario e viene trasmesso tramite qualsiasi operatore di telefonia mobile con il segnale più forte in questo luogo. Tuttavia, se la rete è sovraccarica chiamate telefoniche, possono essere interrotti per trasmettere il segnale.
I sistemi di monitoraggio satellitare consentono di tracciare la posizione dell'oggetto di tracciamento in qualsiasi parte del mondo. La straordinaria precisione si ottiene grazie all'uso degli ultimi sviluppi tecnologici, progettati dai migliori specialisti di tutto il mondo.
Tali sistemi sono una nuova parola nel mondo della gestione dei sistemi di trasporto, grazie all'utilizzo del monitoraggio satellitare dei trasporti, è possibile stabilire un sistema logistico, ridurre i costi di trasporto trovando rapidamente modi e percorsi di partenza per consegnare le merci al consumatore .
Questi sistemi di monitoraggio sono stati sviluppati per l'attuazione di programmi governativi complessi ed estremamente importanti, il che indica l'affidabilità del loro design e il funzionamento efficiente. Oggi tali sistemi sono diventati disponibili per i normali consumatori.
Oggi i sistemi di monitoraggio satellitare sono utilizzati da grandi aziende di logistica e trasporti. Allo stesso tempo, i costi per l'acquisizione di un sistema di monitoraggio sono giustificati: si ripagano già in diversi periodi di utilizzo dei rapporti.
Si sono dimostrati validi in molte aree, le loro capacità aumentano ogni anno e il costo di acquisizione sta diventando più accessibile non solo per le grandi società transnazionali, ma anche per le aziende più piccole.
Pertanto, questi sistemi sono effettivamente utilizzati da piccole aziende che forniscono servizi di trasporto, compresi i servizi di taxi. Tale monitoraggio nel settore dei taxi consente di tracciare in modo rapido e preciso la posizione dell'auto, risparmiando così risorse umane, quindi, nel tempo, è possibile automatizzare il sistema di servizio taxi e aumentare l'efficienza.
I nostri sistemi sono ciò di cui hai bisogno società moderna, qualcosa che renderà la vita più sicura e il business più efficiente.
Il sistema Sputnik di NAVIGAZIONE GLOBALE russo (GLONASS) è destinato alla navigazione globale operativa e al supporto temporale per un numero illimitato di consumatori terrestri, marittimi, aerei e spaziali. Il sistema è stato messo in funzione nel 1993.
GLONASS è un sistema di proprietà statale sviluppato come sistema a duplice uso per le esigenze del Ministero della Difesa e dei consumatori civili.
Dal 1996, su proposta del Governo Federazione Russa GLONASS, insieme al GPS americano, è utilizzato dall'Organizzazione per l'aviazione civile internazionale e dall'Organizzazione marittima internazionale.
In conformità con il Decreto del Presidente della Federazione Russa, l'accesso ai segnali di navigazione civile del sistema GLONASS è fornito ai consumatori russi e stranieri gratuitamente e senza restrizioni.
I satelliti di nuova generazione costituiscono la base della costellazione orbitale GLONASS<Глонасс-М>. Nel prossimo futuro, si prevede di iniziare i test di volo di veicoli spaziali di nuova generazione<Глонасс-К>Con specifiche tecniche paragonabile ai migliori analoghi del mondo.
Le responsabilità per la gestione e il funzionamento del sistema GLONASS sono assegnate al Ministero della Difesa della Federazione Russa.
Il primo satellite GLONASS è stato lanciato in orbita dall'Unione Sovietica il 12 ottobre 1982. Il 24 settembre 1993 il sistema è stato ufficialmente messo in funzione con una costellazione orbitale di 12 satelliti. Nel dicembre 1995, la costellazione di satelliti è stata dispiegata al suo completo complemento: 24 satelliti.
A causa di finanziamenti insufficienti, e anche a causa della breve vita utile, il numero di satelliti operativi è stato ridotto a 6 entro il 2001.
Nell'agosto 2001 è stato adottato il programma obiettivo federale "Global Navigation System", secondo il quale era prevista la copertura completa del territorio della Russia già all'inizio del 2008 e il sistema avrebbe raggiunto la scala globale entro l'inizio del 2010. Per risolvere questo problema, nel 2007, 2008 e 2009 è stato pianificato di effettuare sei lanci del veicolo di lancio e di mettere in orbita 18 satelliti, quindi entro la fine del 2009 la costellazione avrà nuovamente 24 veicoli.
Alla fine di marzo 2008, il Council of Chief Designers for the Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS), che si è riunito presso l'Istituto di ricerca russo di strumentazione spaziale, ha in qualche modo modificato i tempi del dispiegamento del segmento spaziale GLONASS. I piani precedenti presumevano che il sistema sarebbe stato disponibile in Russia entro il 31 dicembre 2007; tuttavia, ciò ha richiesto 18 satelliti funzionanti, alcuni dei quali sono riusciti a sviluppare la loro risorsa garantita e hanno smesso di funzionare. Pertanto, sebbene nel 2007 il piano di lancio del satellite GLONASS sia stato realizzato (sei veicoli sono entrati in orbita), la costellazione orbitale al 27 marzo 2008 comprendeva solo sedici satelliti operativi. Il 25 dicembre 2008, il numero è stato aumentato a 18 satelliti.
Su consiglio dei principali progettisti di GLONASS, il piano per l'implementazione del sistema è stato adattato con l'obiettivo che il sistema GLONASS funzionasse in Russia almeno entro il 31 dicembre 2008. I piani precedenti prevedevano il lancio in orbita di due triplette di nuovi satelliti Glonass-M a settembre e dicembre 2008; tuttavia, nel marzo 2008, le date di produzione di satelliti e razzi sono state riviste per garantire che tutti i satelliti fossero operativi entro la fine dell'anno. Si presumeva che i lanci sarebbero avvenuti due mesi prima e che il sistema avrebbe funzionato in Russia entro la fine dell'anno. I piani sono stati attuati in tempo.
Nel novembre 2009, è stato annunciato che l'Istituto di ricerca ucraino per le misurazioni dell'ingegneria radiofonica (Kharkiv) e l'Istituto di ricerca russo per la strumentazione spaziale (Mosca) avrebbero costituito una joint venture. Le parti realizzeranno un sistema di navigazione satellitare per servire i consumatori nel territorio dei due paesi. Il progetto utilizzerà stazioni di correzione ucraine per chiarire le coordinate dei sistemi GLONASS.
Il 15 dicembre 2009, in un incontro tra il primo ministro russo Vladimir Putin e il capo di Roscosmos, Anatoly Perminov, è stato annunciato che il dispiegamento di GLONASS sarebbe stato completato entro la fine del 2010.
Con il passaggio ai satelliti Glonass-K, l'accuratezza del sistema GLONASS diventerà paragonabile all'accuratezza del sistema di navigazione GPS americano NAVSTAR, l'unico schierato all'estero sistema di navigazione.
02 settembre 2010 la costellazione dei satelliti è stata reintegrata con altri 3 satelliti e il numero totale di satelliti nella costellazione è stato portato a 26 unità.
L'idea di creare un navigatore satellitare è nata negli anni '50. Nel momento in cui l'URSS ha lanciato il primo satellite terrestre artificiale, gli scienziati americani guidati da Richard Kershner hanno osservato il segnale proveniente dal satellite sovietico e hanno scoperto che, a causa dell'effetto Doppler, la frequenza del segnale ricevuto aumenta con l'avvicinarsi del satellite e diminuisce con l'avvicinarsi del satellite. si allontana. L'essenza della scoperta era che se conosci esattamente le tue coordinate sulla Terra, allora diventa possibile misurare la posizione e la velocità del satellite, e viceversa, conoscendo la posizione esatta del satellite, puoi determinare la tua velocità e le coordinate .
Questa idea è stata realizzata dopo 20 anni. Il primo satellite di prova è stato lanciato in orbita il 14 luglio 1974 dagli Stati Uniti e l'ultimo di tutti i 24 satelliti necessari per coprire l'intera superficie terrestre è stato lanciato in orbita nel 1993, quindi il GPS è entrato in servizio. È diventato possibile utilizzare il GPS per indirizzare con precisione i missili a oggetti fermi e quindi in movimento in aria ea terra.
Inizialmente, il GPS, il sistema di posizionamento globale, è stato sviluppato come un progetto puramente militare. Ma dopo che un intruso nello spazio aereo fu abbattuto nel 1983 Unione Sovietica un aereo della Korean Airlines con 269 passeggeri a bordo, il presidente degli Stati Uniti Ronald Reagan ha autorizzato l'uso parziale del sistema di navigazione per scopi civili. Per evitare l'uso del sistema per scopi militari, la precisione è stata ridotta da uno speciale algoritmo.
Quindi sono apparse informazioni secondo cui alcune aziende avevano decifrato l'algoritmo per ridurre l'accuratezza alla frequenza L1 e compensato con successo questo componente dell'errore. Nel 2000, questo ingrossamento dell'accuratezza è stato abolito con un decreto del Presidente degli Stati Uniti.
Il tracciamento della costellazione orbitale viene effettuato dal principale stazione di controllo, situato presso la base aeronautica di Schriever, Colorado, USA e con l'ausilio di 10 stazioni di tracciamento, di cui tre stazioni sono in grado di inviare dati di correzione ai satelliti sotto forma di segnali radio con una frequenza di 2000-4000 MHz. L'ultima generazione di satelliti distribuisce i dati ricevuti tra altri satelliti.
Nonostante il progetto GPS fosse originariamente finalizzato a scopi militari, oggi il GPS viene sempre più utilizzato per scopi civili. I ricevitori GPS sono venduti in molti negozi di elettronica e integrati in telefoni cellulari, smartphone, PDA e dispositivi di bordo. Ai consumatori viene inoltre offerta una varietà di dispositivi e prodotti software, permettendoti di vedere la tua posizione su mappa elettronica; avere la capacità di tracciare percorsi tenendo conto della segnaletica stradale, delle svolte consentite e persino degli ingorghi; cerca sulla mappa case e strade specifiche, attrazioni, caffè, ospedali, distributori di benzina e altre infrastrutture.
La precisione tipica dei moderni ricevitori GPS nel piano orizzontale è di circa 10-12 metri con buona visibilità dei satelliti (uguale a quella del GLONASS). Negli Stati Uniti e in Canada esistono stazioni WAAS che trasmettono correzioni per la modalità differenziale, che in questi paesi riduce l'errore a 1-2 metri. quando si utilizzano modalità differenziali più complesse, l'accuratezza nel determinare le coordinate può essere aumentata a 10 cm Sfortunatamente, l'accuratezza di qualsiasi SNS dipende fortemente dall'apertura dello spazio, dall'altezza dei satelliti utilizzati sopra l'orizzonte.
Il sistema GLONASS è il più grande complesso di navigazione che consente di tracciare la posizione di vari oggetti. Il progetto, lanciato nel 1982, si sta attivamente sviluppando e migliorando fino ad oggi. Inoltre, si sta lavorando sia sul supporto tecnico di GLONASS che sull'infrastruttura che consente a sempre più persone di utilizzare il sistema. Quindi, se nei primi anni di esistenza del complesso la navigazione satellitare veniva utilizzata principalmente per risolvere problemi militari, oggi GLONASS è uno strumento tecnologico di posizionamento diventato obbligatorio nella vita di milioni di utenti civili.
A causa della complessità tecnologica del posizionamento satellitare globale, oggi solo due sistemi possono corrispondere pienamente a questo nome: GLONASS e GPS. Il primo è russo e il secondo è frutto di sviluppatori americani. Da un punto di vista tecnico, GLONASS è un complesso di hardware specializzato situato sia in orbita che a terra.
Per comunicare con i satelliti vengono utilizzati sensori e ricevitori speciali che leggono i segnali e formano i dati di posizione sulla base di essi. Per calcolare i parametri temporali vengono utilizzati quelli speciali che servono a determinare la posizione di un oggetto, tenendo conto della trasmissione e dell'elaborazione delle onde radio. La riduzione degli errori consente un calcolo più affidabile dei parametri di posizionamento.
La gamma di compiti dei sistemi di navigazione satellitare globale include la determinazione della posizione esatta degli oggetti terrestri. Oltre alla posizione geografica, i sistemi di navigazione satellitare globale consentono di tenere conto di tempo, percorso, velocità e altri parametri. Questi compiti sono implementati per mezzo di satelliti situati in diversi punti sopra la superficie terrestre.
L'applicazione della navigazione globale è utilizzata non solo nel settore dei trasporti. I satelliti aiutano nelle operazioni di ricerca e salvataggio, nei lavori geodetici e di costruzione, nonché nel coordinamento e nella manutenzione di altre stazioni spaziali e veicoli. Anche l'industria militare non è lasciata senza il supporto di un sistema di tali obiettivi che fornisce un segnale sicuro progettato specificamente per le apparecchiature autorizzate del Ministero della Difesa.
Il sistema ha iniziato a funzionare a pieno titolo solo nel 2010, sebbene i tentativi di introdurre il complesso in lavoro attivo sono stati intrapresi dal 1995. Per molti aspetti, i problemi erano associati alla scarsa durata dei satelliti utilizzati.
Al momento, GLONASS è composto da 24 satelliti che operano in diversi punti dell'orbita. In generale, l'infrastruttura di navigazione può essere rappresentata da tre componenti: il complesso di controllo (fornisce il controllo della costellazione in orbita), così come la navigazione mezzi tecnici utenti.
24 satelliti, ognuno dei quali ha la propria altezza costante, sono suddivisi in diverse categorie. Ogni emisfero ha 12 satelliti. Per mezzo delle orbite dei satelliti, si forma una griglia sopra la superficie terrestre, a causa dei segnali di cui vengono determinate le coordinate esatte. Inoltre, il satellite GLONASS ha diverse strutture di backup. Sono anche ciascuno nella propria orbita e non sono inattivi. I loro compiti includono l'espansione della copertura su una regione specifica e la sostituzione dei satelliti difettosi.
L'analogo americano di GLONASS è il sistema GPS, anch'esso iniziato a funzionare negli anni '80, ma solo dal 2000 l'accuratezza nella determinazione delle coordinate ha permesso di diffonderlo ampiamente tra i consumatori. Ad oggi, i satelliti GPS garantiscono una precisione fino a 2-3 M. Ritardo nello sviluppo delle capacità di navigazione per molto tempo era dovuto a vincoli di posizionamento artificiali. Tuttavia, la loro rimozione ha permesso di determinare le coordinate con la massima precisione. Anche se sincronizzato con ricevitori miniaturizzati, si ottiene un risultato corrispondente a GLONASS.
Ci sono molte differenze tra i sistemi di navigazione. In particolare, c'è una differenza nella natura della disposizione e del movimento dei satelliti in orbita. Nel complesso GLONASS si muovono su tre piani (otto satelliti per ciascuno) e il sistema GPS prevede il lavoro su sei piani (circa quattro per piano). Pertanto, il sistema russo fornisce una copertura più ampia dell'area terrestre, che si riflette anche in una maggiore precisione. Tuttavia, in pratica, la "vita" a breve termine dei satelliti domestici non consente di sfruttare appieno il potenziale del sistema GLONASS. Il GPS, a sua volta, mantiene un'elevata precisione grazie al numero ridondante di satelliti. Tuttavia, il complesso russo introduce regolarmente nuovi satelliti, sia per uso mirato che come supporto di riserva.
Inoltre, vengono utilizzati diversi metodi di codifica del segnale: gli americani usano il codice CDMA e in GLONASS - FDMA. Nel calcolo dei dati di posizionamento da parte dei ricevitori, il sistema satellitare russo prevede un modello più complesso. Di conseguenza, l'uso di GLONASS richiede un elevato consumo energetico, che si riflette nelle dimensioni dei dispositivi.
Tra i compiti fondamentali del sistema c'è la determinazione delle coordinate di un oggetto in grado di interagire con GLONASS. Il GPS in questo senso svolge compiti simili. In particolare, vengono calcolati i parametri del movimento di oggetti terrestri, marini e aerei. In pochi secondi un veicolo dotato di apposito navigatore può calcolare le caratteristiche del proprio movimento.
Allo stesso tempo, l'uso della navigazione globale è già diventato obbligatorio per alcune categorie di trasporto. Se negli anni 2000 la diffusione del posizionamento satellitare era legata al controllo di alcuni oggetti strategici, oggi navi e aerei, mezzi pubblici, ecc. non escluso.
Il sistema è in grado di fornire un servizio globale continuo a tutte le categorie di consumatori senza eccezioni, indipendentemente dalle condizioni climatiche, territoriali e temporali. Come i servizi del sistema GPS, il navigatore GLONASS è fornito gratuitamente e in qualsiasi parte del mondo.
Tra i dispositivi in grado di ricevere i segnali satellitari non ci sono solo gli ausili alla navigazione di bordo ei ricevitori GPS, ma anche i telefoni cellulari. I dati di posizione, direzione e velocità vengono inviati a un server speciale tramite reti GSM. Uno speciale programma GLONASS e varie applicazioni che elaborano le mappe aiutano a utilizzare le capacità della navigazione satellitare.
L'espansione territoriale della navigazione satellitare ha portato alla fusione dei due sistemi dal punto di vista del consumatore. In pratica, i dispositivi GLONASS sono spesso integrati dal GPS e viceversa, il che aumenta la precisione del posizionamento e dei parametri temporali. Tecnicamente, questo è implementato per mezzo di due sensori integrati in un navigatore. Sulla base di questa idea, vengono prodotti ricevitori combinati che funzionano contemporaneamente con GLONASS, sistemi GPS e relative apparecchiature.
Oltre a migliorare l'accuratezza della determinazione, tale simbiosi consente di tracciare la posizione quando i satelliti di uno dei sistemi non vengono catturati. Il numero minimo di oggetti orbitali, la cui "visibilità" è richiesta per il funzionamento del navigatore, è di tre unità. Quindi, se, ad esempio, il programma GLONASS non è disponibile, i satelliti GPS verranno in soccorso.
L'Unione Europea, così come l'India e la Cina, stanno sviluppando progetti di dimensioni simili a GLONASS e GPS. prevede di implementare il sistema Galileo, composto da 30 satelliti, che raggiungerà una precisione senza pari. In India è previsto il lancio del sistema IRNSS, operante attraverso sette satelliti. Il complesso di navigazione è orientato all'uso domestico. Il sistema Compass degli sviluppatori cinesi dovrebbe essere composto da due segmenti. Il primo includerà 5 satelliti e il secondo - 30. Di conseguenza, gli autori del progetto assumono due formati di servizio.
Molti proprietari di auto usano i navigatori nelle loro auto. Tuttavia, alcuni di loro non sono a conoscenza dell'esistenza di due diversi sistemi satellitari: il GLONASS russo e il GPS americano. Da questo articolo imparerai quali sono le loro differenze e quale dovrebbe essere preferito.
Il sistema di navigazione viene utilizzato principalmente per determinare la posizione di un oggetto (in questo caso un'auto) e la sua velocità. A volte è anche necessario determinare alcuni altri parametri, ad esempio l'altezza sul livello del mare.
Calcola questi parametri impostando la distanza tra il navigatore stesso e ciascuno dei numerosi satelliti situati nell'orbita terrestre. Di norma, la sincronizzazione con quattro satelliti è necessaria per l'effettivo funzionamento del sistema. Modificando queste distanze, determina le coordinate dell'oggetto e altre caratteristiche del movimento. I satelliti GLONASS non sono sincronizzati con la rotazione della Terra, il che garantisce la loro stabilità per un lungo periodo di tempo.
I sistemi di navigazione hanno assunto principalmente il loro uso per scopi militari e solo allora sono diventati disponibili per i comuni cittadini. Ovviamente, i militari devono utilizzare gli sviluppi del proprio stato, perché un sistema di navigazione straniero può essere disattivato dalle autorità di questo paese in caso di conflitto. Inoltre, in Russia chiedono l'uso del sistema GLONASS nella vita di tutti i giorni da parte di militari e dipendenti pubblici.
Nella vita di tutti i giorni, un normale automobilista non dovrebbe preoccuparsi affatto della scelta di un sistema di navigazione. Sia GLONASS che forniscono una qualità di navigazione sufficiente per l'uso quotidiano. Nei territori settentrionali della Russia e in altri stati situati alle latitudini settentrionali, i satelliti GLONASS funzionano in modo più efficiente grazie al fatto che le loro traiettorie sono più alte sopra la Terra. Cioè, nell'Artico, nei paesi scandinavi, GLONASS è più efficiente e gli svedesi lo hanno riconosciuto nel 2011. In altre regioni, il GPS è leggermente più preciso del GLONASS nel determinare la posizione. Secondo il sistema russo di correzione differenziale e monitoraggio, gli errori GPS variavano da 2 a 8 metri, gli errori GLONASS da 4 a 8 metri. Ma il GPS, per determinare la posizione, è necessario catturare da 6 a 11 satelliti, GLONASS è sufficiente per 6-7 satelliti.
Va anche notato che il sistema GPS è apparso 8 anni prima ed è entrato in una solida lacuna negli anni '90. E nell'ultimo decennio, GLONASS ha ridotto quasi completamente questo divario e entro il 2020 gli sviluppatori promettono che GLONASS non sarà inferiore al GPS in nulla.
La maggior parte di quelli moderni è dotata di un sistema combinato che supporta sia il sistema satellitare russo che quello americano. Sono questi dispositivi che sono i più accurati e hanno l'errore più basso nel determinare le coordinate dell'auto. Aumenta anche la stabilità dei segnali ricevuti, perché un tale dispositivo può "vedere" più satelliti. D'altra parte, i prezzi per tali navigatori sono molto più alti rispetto alle controparti a sistema singolo. È comprensibile: al loro interno sono incorporati due chip, in grado di ricevere segnali da ogni tipo di satellite.
Pertanto, i navigatori più precisi e affidabili sono dispositivi a doppio sistema. Tuttavia, i loro vantaggi sono associati a uno svantaggio significativo: il costo. Pertanto, quando si sceglie, è necessario pensare: è necessaria una precisione così elevata nell'uso quotidiano? Inoltre, per un semplice appassionato di auto, non è molto importante quale sistema di navigazione utilizzare: russo o americano. Né il GPS né il GLONASS ti permetteranno di perderti e di portarti alla destinazione desiderata.
