Материал: Сетевые спутниковые радионавигационные системы

Работа была продолжена организацией Satellite Positioning Research and Application Center (SPAC). SPAC принадлежит четырём департаментам правительства Японии: министерствам образования, культуры, спорта, науки и технологий; внутренних дел и связи (англ.)русск.; Министерство экономики, торговли и промышленности и министерству земли, инфраструктуры, транспорта и туризма.предназначена для мобильных приложений, для предоставления услуг связи (видео, аудио и другие данные) и глобального позиционирования. Что касается услуг позиционирования, QZSS сама по себе предоставляет ограниченную точность и по существующей спецификации не работает в автономном режиме. С точки зрения пользователей QZSS предстаёт как система дифференциальной коррекции. Система позиционирования QZSS может работать совместно с геостационарными спутниками в японской системе MTSAT, находящейся в процессе создания, которая сама по себе является системой дифференциальной коррекции, подобной системе WAAS, созданной США.

Спутники будут находится на высокой эллиптической орбите. Такие орбиты позволяют спутнику держаться более 12 часов в день с углом возвышения более 70° (то есть большую часть времени спутник находится практически в зените). Этим и объясняется термин "quasi-zenith", то есть "кажущийся находящимся в зените", который дал название системе. По состоянию на июнь 2003 года предлагаемые орбиты располагаются в диапазоне от 45° наклонения с небольшим эксцентриситетом до 53° со значительным эксцентриситетом.и дополнение к системе позиционированияможет улучшить работу системы GPS двумя способами: во-первых, повышением доступности GPS-сигналов, и во-вторых, повышением точности и надёжности работы навигационных систем, работающих с GPS.

Поскольку сигналы о доступности спутников GPS, передаваемые со спутников QZSS, совместимы с модернизированными сигналами GPS и таким образом обеспечена возможность их взаимодействия, QZSS будет передавать сигналы L1C/A, L1C, L2C и L5. Эти уменьшает необходимые изменения в спецификации и дизайне приёмников.

В сравнении с автономной системой GPS, комбинированная система GPS и QZSS даёт улучшенную производительность благодаря выбору диапазона коррекционных данных, передаваемых по сигналам L1-SAIF и LEX с QZS. Надёжность повышается также путём передачи данных о состоянии спутников. Предоставляется и другие данные для улучшения поиска спутников GPS.

По первоначальным планам спутники QZS должны нести два типа атомных часов: водородный мазер и атомные часы на основе рубидия. Разработка пассивного водородного мазера была прекращена в 2006 году. Сигнал позиционирования будет генерироваться с использованием атомных рубидиевых часов и будет использована архитектура подобная системе отсчёта времени GPS. QZSS также будет способна использовать двунаправленный спутниковый перенос времени и частоты (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT), которая будетиспользована для сбора фундаментальных знаний о поведении спутниковых часов в космосе и других исследовательских целей.

Измерение времени и удалённая синхронизация QZSS

Несмотря на то, что первое поколение системы измерения времени (timekeeping system (TKS)) будет основано на рубидиевых атомных часах, первый спутник QZS будет нести прототип экспериментальной системы синхронизации. В течение первой половины двухгодичной орбитальной тестовой фазы, предварительные тесты исследуют возможность технологии отсчёта времени без атомных часов, которая будет использована в дальнейшем на спутниках QZSS второго поколения.

Упомянутая технология TKS является новой спутниковой системой измерения времени, которая не требует атомных часов на борту, как в используемых ныне спутниках GPS, ГЛОНАСС и разрабатываемых спутниках системы Galileo. Этот концепт отличается использованием системы синхронизации объединённой с упрощёнными часами на борту, которые работают как приёмопередатчики, перераспространяющие информацию о точном времени, предоставленную удалённо сетью синхронизации времени, расположенной на земле. Это позволяет системе работать оптимально когда спутники находятся в непосредственном контакте с наземной станцией, что делает систему подходящей для использования в QZSS. Небольшая масса и невысокая стоимость изготовления и запуска спутников являются значительными преимуществами такой новой системы. Обзор такой системы так же как и два возможных варианта построения сети синхронизации времени для QZSS были изучены и опубликованы в работе Фабрицио Тапперо (Fabrizio Tappero).

. Основные элементы, принцип работы и применение

Основные элементы

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем ("спутниковые навигаторы"), используемое для определения координат;

Опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.

Опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).

Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек

Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии

Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация

Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением

Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта - Эра-ГЛОНАСС.

Тектоника, Тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит

Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.

Геотегинг: информация, например фотографии "привязываются" к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

. Создание карт для навигационных систем

Компания Navteq Corporation была образована в 1985 году и уже через девять лет начала поставлять свой софт для "заводских" навигационных систем - первым потребителем стала компания BMW. Сейчас продукцию Navteq покупают, например, для "конвейерной" установки на автомобили Chrysler и Mercedes, ею пользуются интернет-ресурсы (в частности, Google Maps), а самым известным производителем переносных PND-устройств (Personal Navigation Device) с картами Navteq является американская фирма Garmin. Сейчас карты Navteq покрывают 74 страны мира, а с февраля 2006 года в этот список входит и Россия: российское представительство компании сотрудничает с семнадцатью автопроизводителями, среди которых Peugeot, Opel и Mitsubishi, и в 2009 году к ним должен добавиться еще десяток фирм.

Процесс создания электронной карты для навигационного устройства включает в себя несколько этапов. Сначала у геодезистов покупают картоснову - подробную карту местности с обозначением населенных пунктов и отображением автомобильных дорог. Затем начинается процесс ее адаптации к автомобильным нуждам: специально экипированная бригада отправляется на визуальное изучение местности. В автомобиле находятся водитель и геоаналитик с арсеналом высокоточного "оружия". Главную роль играет GPS-приемник, осуществляющий привязку к местности. С ним синхронизируется камера-регистратор, которая раз в секунду отправляет в память ноутбука привязанное к абсолютным координатам изображение. Причем для более точного описания маршрута оператор с помощью игрового джойстика "вешает" на "картинку" стандартные значки-атрибуты, обозначающие класс дороги, тип покрытия, разрешенную скорость, номера домов, пешеходные переходы и т.д. Помимо этого, оператор оставляет звуковые комментарии и делает рукописные пометки с помощью графического планшета и "карандаша". Программу для создания навигационной карты можно увидеть на рисунке 7.

За один рабочий день экипажу удается "прорисовать" от 70 до 100 км городских дорог или около 300 км пригородных трасс, причем фактический пробег получается куда большим: геоаналитику надо зафиксировать все проезжие участки, а широкие проспекты и бульвары приходится проезжать в обоих направлениях. В итоге накапливается огромный массив данных, которые потом обрабатываются в аналитическом центре. Повторное "сканирование" местности проводится по мере появления новых дорог, а старые объезжаются приблизительно раз в год, но заказчики получают обновленные версии карт ежеквартально: исправление ошибок производится главным образом по сигналам пользователей. Но до них обновленные релизы доходят как минимум через два-три месяца после анонса.

Почему? Во-первых, нужно адаптировать карту под "железо" и фирменные стандарты подачи информации: цветовую схему, звуковое сопровождение и т.д. Во-вторых, между самим продуктом и его потребителем есть немало посредников, претендующих на свой кусок пирога. Иной раз диски с "фирменной" картографией для штатных навигационных систем появляются с задержкой до восьми месяцев! Неудивительно, что на фоне такой нерасторопности процветает пиратство - ворованные копии карт зачастую появляются в продаже раньше лицензионных продуктов. По состоянию на декабрь 2008 года "российские" карты Navteq покрывают дорожную сеть пятнадцати городов-миллионеров и шести областей. Всего - 281 тыс. км дорог. В начале года должна быть готова детальная карта Москвы, в которой будут прописаны не только подъездные дороги ко всем домам и корпусам, но и подробные схемы проезда "хитрых" развязок - например, повороты налево через правый "карман". Выход аналогичной карты Санкт-Петербурга планируется в первом квартале. Но в России компания Navteq сейчас в роли догоняющего - у основных конкурентов зона покрытия куда больше. Например, карты компании Навиком покрывают 412 городов с возможностью адресного поиска и 2,8 млн км дорог включая грунтовки. Аналогичные показатели у компании Навител - 231 город и 598 тыс. км, а у компании Tele Atlas - 50 городов и 875 тыс. км. Еще одна характеристика - количество объектов инфраструктуры, к которым относятся рестораны, автозаправки, гостиницы и т.д. На российской карте Navteq их отмечено 47 тысяч, в то время как карта одного Нью-Йорка содержит 60 тысяч "интересных точек". Словом, поле для деятельности - широчайшее.

Список используемых источников

спутниковый навигационный орбитальный квазизенитный

1. Александров И. Космическая радионавигационная система НАВСТАР (рус.) // Зарубежное военное обозрение. - М., 1995. - № 5. - С. 52-63. - ISSN 0134-921X.

. Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света. - М., 2006. - № 12 (2795). - С. 204-280.

. Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцев Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В. С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с. - ISBN 5-256-00174

. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова.. - 3-е изд., перераб. - М.: Радиотехника, 2005. - 688 с. - 1000 экз. - ISBN 5-93108-076-7.

. Официальная страница "Галилео" на ЕКА (англ.)

. Официальная страница европейской организации по контролю над системами спутниковой навигации GSA (Galileo Supervisory Authority) (англ.)