Навигационная система

                  СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИЯ

 

 

 

 

 

 Дифференциальная GPS

 

Для того, чтобы в ряде случаем можно было «обойти» ограничения, наложенные Департаментом обороны США, некоторые специальные службы (например, береговая охрана США) установили сеть фиксированных т.н. «дифференциальных» радиобуев. Каждый из них постоянно регистрирует сигналы GPS-спутников и сравнивает рассчитанные координаты со своим известным постоянным местоположением. Вычисленная таким образом ошибка передается радиобуем на фиксированной частоте (обычно в 2-х метровом диапазоне) в виде специального сигнала. Если этот сигнал поймать с помощью дополнительного т.н. «дифференциального» приемника, подключенного к GPS-навигатору, то последний может внести соответствующую поправку и определить координаты с точностью около 1 метра. В последнее время такие службы получают все большее распространение в западных странах, однако их услуги часто бывают платными.

 
 Современное состояние

 

В настоящее время работают или  готовятся к развёртыванию следующие  системы спутниковой навигации:

NAVSTAR (GPS)

Принадлежит министерству обороны  США, что считается другими государствами  её главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система.

ГЛОНАСС

Глобальная навигационная спутниковая  система (ГЛОНАСС) – советская и российская спутниковая система навигации, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Принадлежит министерству обороны  России. Является попыткой восстановить функционировавшую с 1982 года советскую  систему. Находится на этапе повторного развёртывания спутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной  группировки спутников, запущенных в СССР, было в 1993–1995 гг.). Современная система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR. Однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования.

Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR.

Бэйдоу

Развёртываемая в настоящее  время Китаем подсистема GNSS, предназначенная  для использования только в этой стране. Особенность – небольшое  количество спутников, находящихся  на геостационарной орбите.

Galileo

Европейская система, находящаяся  на этапе создания спутниковой группировки.

IRNSS

Индийская навигационная спутниковая  система, в состоянии разработки. Предполагается для использования  только в этой стране. Запуск первого  спутника ожидается в 2009 году.

 

 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.

 

 

Рисунок 7

 Системы спутниковой  навигации ГЛОНАСС и GPS

 

Система Глонасс предназначена  для глобальной оперативной навигации  приземных подвижных объектов. СРНСС  разработана по заказу Министерства Обороны. По своей структуре Глонасс  так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских  целях.

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами).

 

 

 

космический сегмент, в который  входит орбитальная группировка  искусственных спутников Земли (иными  словами, навигационных космических  аппаратов);

сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы  не имеет значения. Помимо основной функции – навигационных определений, – система позволяет производить  высокоточную взаимную синхронизацию  стандартов частоты и времени  на удалённых наземных объектах и  взаимную геодезическую привязку. Кроме  того, с её помощью можно производить  определение ориентации объекта  на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных  спутников.

В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции  используются навигационные космические  аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника – 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечных батарей. Общая масса спутника – 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят: бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.

 

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие  функции:

эфемеридное и частотно-временное  обеспечение;

мониторинг радионавигационного  поля;

радиотелеметрический мониторинг НКА;

командное и программное радиоуправление  НКА.

Для синхронизации шкал времени  различных спутников с необходимой  точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с  относительной нестабильностью  порядка 10–13. На наземном комплексе  управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10–14. Кроме того, в состав НКУ  входят средства коррекции шкал времени  спутников относительно эталонной  шкалы с погрешность 3–5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и  прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз  закладываются в навигационное  сообщение, передаваемое спутником  наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные  поправки бортовой шкалы времени  спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных  измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Американская система GPS по своим  функциональным возможностям аналогична отечественной системе Глонасс. Её основное назначение – высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и  привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны  США и находится под его  управлением. Согласно интерфейсному  контрольному документу, основными  разработчиками системы являются:

по космическому сегменту – Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

по сегменту управления – IBM, Federal System Company;

по сегменту потребителей – Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Как и система Глонасс, GPS состоит  из космического сегмента, наземного  командно-измерительного комплекса  и сегмента потребителей.

Как было сказано выше, орбитальная  группировка GPS состоит из 28 навигационных  космических аппаратов. Все они  находятся на круговых орбитах с  периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км. НКА системы GPS