Экранные страницы

Рис. 1.1. Экранные страницы Спутники: а — отличное расположение 8 спутников, режим 3D, точность 5 м, ориентация по курсу; б — навигатор «видит» 3 спутника, удовлетворительная геометрия, режим 2D, точность 21 м, ориентация по курсу; в — плохая геометрия, режим 2D, точность 61 м, ориентация на север

В системе спутниковой навигации можно выделить три составляющие: орбитальную группировку космических аппаратов, наземный комплекс управления и приемную аппаратуру пользователей. Космическая часть – это 24 спутника, вращающиеся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору – 55°, угол между плоскостями орбит — 60°. Высота орбит — 20180 км, период обращения — 12 часов (значит, каждый спутник в одно и то же время дня пролетает над одним и тем же местом). Излучение передатчиков спутников создает для принимающих их сигналы пользователей практически сплошное радионавигационное поле, которое позволяет им определить свое местонахождение, где бы они ни находились.

Наземная часть GPS состоит из четырех станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе «Falcon» («Сокол») в Колорадо-Спрингс (Калифорния) для обработки траекторий спутников на сложных компьютерных программных моделях. Таким образом достигается определение и прогноз параметров орбит движения спутников, наборов координат и их производных, которые составляют эфемеридную информацию. Через наземные станции вычисленные эфемеридные данные передаются на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS, где полученные данные используются для расчета координат места.

Режимы 2D и 3D определения координат. Определение местоположения в GPS-навигаторах основано на приеме сигналов от спутников и вычислении до них псевдодальностей, однозначно связанных со временем распространения сигналов. Для того чтобы рассчитать географические координаты, приемник должен одновременно принять сигналы как минимум от трех спутников (режим двумерного определения, 2D) и от четырех спутников, чтобы дополнительно кроме широты и долготы еще определить и высоту места (режим 3D). При перемещении по местности с навигатором часть спутников становится невидимой, зато появляются новые. Информация от новых спутников должна накапливаться в течение некоторого времени. Чтобы иметь непрерывное определение места, приемники выполнены многоканальными (стандартное число каналов — 12). В конкретный момент времени информация от части этих каналов используется для определения координат. В других же каналах идет сбор и накопление новых данных. Часто одновременно наблюдаются 7—9 спутников, что позволяет навигатору выбрать из принимаемых сигналов наилучшие для повышения точности определения координат. Наиболее важным для получения достоверных измерений является геометрическое расположение спутников, так называемый геометрический фактор — PDOP (Position Dilution Of Precision). Он показывает степень увеличения ошибки из-за плохой геометрии расположения спутников. Идеальной позиции спутников соответствует PDOP = 1, когда они распределены вокруг наблюдателя и не лежат вблизи горизонта. Большие его значения говорят о плохой спутниковой геометрии. Пригодными для навигации считаются значения PDOP < 6.0. Фактор PDOP используется для расчета суммарной ожидаемой ошибки. Если все причины ошибок (задержки сигнала в тропосфере, ошибки бортовых часов и т.п.) составляют, например, 15 м, a PDOP равен 1,5, то расчетная суммарная ошибка будет составлять 15х 1,5 = 22,5 ч.

Хорошее расположение на странице Спутники восьми спутников, которые распределены по всем четырем сторонам света, способствует точности в 5 метров (рис. 1.1, а).

Там же, на рис. 1.1 ,б,в, показана ситуация с режимом 2D при приеме сигналов or трех спутников.

Обратите внимание, что схема неба (см. рис. 1.1, а, б) ориентирована по направлению движения, а карта на рис. 1.1, в ориентирована на север, и на ней дополнительно показано направление движения пользователя на юг.

Инициализация работы навигатора. Для определения координат необходимо принять сигналы спутников с навигационными сообщениями, содержащими два набора данных: эфемерид и альманаха. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут.

Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее его положение. Каждый спутник передает только свои эфемериды. Альманах содержит параметры орбит и данные о состоянии всех остальных спутников в орбитальной системе (хранятся в памяти приемника). Благодаря этой информации приемник навигатора всегда «знает», где находятся все спутники системы, даже когда он их «не видит», и какие спутники лучше использовать для определения координат. Данные альманаха не очень точны и обновляются раз в несколько месяцев. Эфемериды — это сравнительно более достоверные сведения об орбите спутника, передаваемые каждые 30 с, что позволяет приемнику GPS их часто обновлять.

Определение координат в навигаторе становится возможным лишь после приема и сбора эфемерид и альманаха. Процесс выхода навигатора на рабочий циклический режим местоопределения называется инициализацией.

В зависимости от степени устаревания информации от спутников (эфемеридных данных и альманаха) различают теплый и холодный старты GPS-навигатора.

Режим теплого старта возникает после перерыва работы навигатора до двух часов, когда прибор «видит», по крайней мере, три спутника, эфемериды которых сохранились в его памяти, а координаты места мало изменились. Для возобновления определения координат в этом случае навигатору требуется до двух десятков секунд. Продолжительный перерыв приводит к устареванию эфемерид. Чтобы восстановить все функции, потребуется обновить эфемериды, и этот процесс получил название холодного старта. Время для запуска в этом режиме увеличивается до сотни секунд (в среднем 45). В обоих режимах в памяти навигатора сохраняются данные альманаха. Если в навигаторе отсутствует альманах спутников, а координаты места неизвестны или изменились на несколько сотен километров, то навигатор будет работать в режиме первоначального включения (AutoLocate). Работа навигатора начнется с этого режима, если с последнего включения прошло более трех месяцев или если навигатор перенесен на расстояние более 500 км. Для начала определения координат может быть затрачено 10—15 минут (в среднем 2 минуты).

Точность определения координат. Большинство навигаторов рассчитывает точность определения координат, показывая результат на экранной странице Спутники. Понятно, что значок текущего места демонстрирует лишь расчетное место, а круг вокруг значка определяет область, где вы действительно можете находиться. Компания Garmin для своих приборов регламентирует точность в 5— 15 метров с вероятностью 95%. Данная величина представляет удвоенную среднеквадратичную ошибку и показывает, что в окружность с ее радиусом попадает 95% всех измерений. Заметим, что такова точность определения горизонтальных координат. Ошибка при определении третьей координаты места — высоты — более зничительна. При крупном масштабе на странице Карта навигатор отображает круг точности, в пределах которого находится реальное место (рис. 1.2).

Круг точности на странице Карта

Рис. 1.2. Круг точности на странице Карта, режим 3D, точность 45 м

Дифференциальные режимы WAAS/EGNOS

Чтобы повысить точность измерений, разработаны средства коррекции ошибок — региональные системы дифференциальной коррекции. В Северной Америке для этого предназначена система WAAS, а в Европе – EGNOS, работающая в тестовом режиме. Сигналы для коррекции ошибок передаются специальными спутниками. В большинстве современных моделей приемников предусмотрен прием сигналов коррекции, что повышает точность в несколько раз (ошибка 1—3 м). Эти системы находятся в стадии развития и, скорее всего, прием их сигналов в настоящий момент будет ограничен, так как для успешной работы требуется «открытый небосвод». В европейской части России сигналы EGNOS пока не принимаются. Возможно, что со временем они станут доступны в Калининградской, Псковской и Ленинградской (частично) областях.




Дополнительные материалы:

  • Серия навигаторов GPS 72/76 и GPSmap 76/76S/76Cx/CSx Эта группа состоит из : монохромных навигаторов GPS 72/76, не имеющих графической картографии; монохромных навигаторов GPSmap 76/76S с картографической поддержкой; цветных […]
  • Портативные навигаторы В эту группу входят компактные, прочные и легкие устройства весом от 100 до 300 г, которые удобно держать в руке. Приборы могут размещаться в карманах, поясном чехле и т.д. Многие имеют […]
  • Серия навигаторов GPS 60, GPSmap 60/60Cx/CSx Серия состоит из монохромных приборов GPS 60, GPSmap 60 и навигаторов с цветными экранами GPSmap 60Cx/60CSx. Наличие картографии в приборах подчеркивает аббревиатура «mар». Модель GPS […]
  • Электропитание Несомненное достоинство многих навигаторов заключается в возможности их автономного использования, то есть без подключения к внешнему источнику электропитания. Это обеспечивается […]
Share This

Поделитесь!

Если статья показалась Вам полезной.