Спутниковые системы местоопределения автотранспорта

     ФАКУЛЬТЕТ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ Кафедра «Автомобильные перевозки» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

     По  дисциплине: «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ТРАНСПОРТЕ» 

      Содержание 

Введение

1. Развитие спутниковой  системы радиоместоопределения в России

2. Развитие спутниковой системы радиоместоопределения за рубежом

3. Оптимальная  структура спутниковых систем  местоопределения автотранспорта

4. Спутниковая  радионавигационная система Глонасс

4.1 Общие сведения о системе

4.2 Особенности  использования Глонасс на транспорте

Заключение

Список используемой литературы 
 

      Введение 

     В России автомобильный транспорт  сильно влияет на развитие социально-экономической  сферы. Автомобильному транспорту нет  адекватной замены при перевозке  на средние и малые расстояния или, например, пассажирских перевозок в пределах населенного пункта.

     Процесс автомобилизации нашей страны не должен ограничиваться только увеличением  парка автомобилей, он так же вызывает необходимость решения ряда вопросов, направленных на дальнейшее развитие материально-технической базы и повышения эффективности эксплуатации.

     Задача  повышения эффективности капитальных  вложений и снижения издержек является частью проблемы рациональной организации  автомобильного транспорта и охватывает широкий круг эксплуатационных и  технологических вопросов. Решение этой задачи обеспечивается в первую очередь качественным управлением производственным процессом, которое в значительной мере предопределяет рациональное использование основных фондов и высокую эффективность капитальных вложений. 

     1. Развитие спутниковой системы радиоместоопределения в России 

     Спутниковые системы радиоместоопределения - сравнительно новая, быстро развивающаяся ветвь  навигации или отслеживания перемещения  подвижных объектов.

     Развитие  отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.

     Эффект  Допплера (по имени австрийского физика К. Допплера) состоит в изменении  регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний.

     Обратная  задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при  известных координатах ИСЗ найти  координаты пункта наблюдения. В то же время первое научно обоснованное предложение об использовании ИСЗ для навигации родилось в Ленинграде еще до запуска первого советского ИСЗ, в период проведения под руководством проф.В.С. Щебшаевича в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А.Ф. Можайского в 1955-1957 гг. исследований возможностей применения радиоастрономических методов для самолетовождения. Материалы исследований докладывались в октябре и декабре 1957 г. на межведомственной конференции и семинаре.

     Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958-1959 гг.), которые осуществляли Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР, два морских НИИ и Горьковский НИРФИ. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике и расчетам орбит. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.

     Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам  над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".

     "Цикада" в составе 4-х навигационных  спутников (НС), выведенных на  круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5...6 мин.

     В ходе испытаний было установлено, что  основной вклад в погрешность  навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

     Большой вклад в повышение точности эфемерид навигационных спутников внесли результаты работ по программе геодезических  и геофизических исследований с  помощью специальных геодезических  спутников "Космос-842" и "Космос-9П", которые были выведены на навигационные орбиты.

     Проблемой создания высокоорбитальной навигационной  системы является высокоточное определение  и прогнозирование параметров орбит  навигационных спутников.

     Достижение  необходимой точности эфемерид навигационных спутников потребовало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий.

     Летные  испытания высокоорбитальной отечественной  навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника "Космос-1413".

     В настоящее время, из анализа выступлений  некоторых руководителей и высокопоставленных чиновников можно заключить, что  они не располагают достоверными данными о проблемах ГЛОНАСС, путях и сроках их решения. Так  в марте 2006 года НПО прикладной механики (основной разработчик навигационных космических аппаратов) опубликовало следующий план по производству и запуску модернизированных КА "ГЛОНАСС-М" с гарантированным сроком функционирования на орбитах не менее 7 лет: в 2006 г. - 3 КА, в 2007 и 2008 гг. - по 6 КА, в 2009 г. - 3 КА. С 2010 г. предполагается пополнение орбитальной группировки аппаратами последующей модификации "ГЛОНАСС-К" с гарантийным сроком функционирования не менее 10 лет.

     В связи с увеличением состава  КА на орбитах, крайне необходимо развитие и совершенствование всего комплекса технических средств, наземных измерительных пунктов и Центра управления космических войск с целью обеспечения надежного и своевременного обслуживания навигационных КА и контроля целостности орбитальной группировки ГЛОНАСС.

     В настоящее время состав орбитальной  группировки еще не обеспечивает 100-процентную доступность услуг  ГЛОНАСС на территории страны, однако количество видимых над горизонтом в России спутников ГЛОНАСС, как  правило, равняется трем или более. По заявлениям продавцов навигационного прибора Glospace, для определения местоположения достаточно трех видимых спутников ГЛОНАСС, а четвертый дает уточнение о высоте. Отсюда нетрудно сделать вывод, что для ориентирования наземных пользователей (автоводителей, грибников, туристов и т.п.) система вполне пригодна прямо сейчас, хотя при самолетовождении еще могут возникать определенные трудности.

     Спутники "ГЛОНАСС-М" в составе орбитальной  группировки будут находиться, как  минимум, до 2015 года. Летные испытания  негерметичных спутников нового поколения "ГЛОНАСС-К" с улучшенными характеристиками (увеличенным до 10 лет гарантийным сроком и третьей частотой L-диапазона для гражданских потребителей) должны начаться в 2010 году. Этот спутник будет вдвое легче своего предшественника (примерно 850 кг против 1415 кг у "Глонасс-М")

     В дальнейшем, после развертывания  орбитальной группировки из 24-х  космических аппаратов, для ее поддержания  потребуется делать по одному групповому пуску в год двух КА "ГЛОНАСС-К" на носителе "Союз", что существенно снизит эксплуатационные расходы.

     Опасения  вызывает отсутствие на рынке конкурентоспособных  отечественных приемников ГЛОНАСС, а также конкретных планов развертывания  ее массового производства. 

      2. Развитие спутниковой системы радиоместоопределения за рубежом 

     В начале 70-х годов в США были начаты работы по созданию СРНС второго  поколения - GPS/''Навстар" (аналога  отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993 г. А  между тем все начиналось так: в ноябре 1913 в Австрии под именем Хедвиг Ева Мария Кислер родилась будущая актриса Хеди Ламар. Еврейская девочка выросла в период расцвета Третьего рейха. Как и другие евреи, она вела образ жизни хамелеона: имела несколько имён, представлялась той личностью, которую требовали обстоятельства. Приходилось хранить многое в тайне и постоянно ходить по лезвию бритвы. В общем, её детство нельзя было назвать счастливым. Запутанная жизненная тропа привела Ламар к закладке одной из основ военной мощи Соединённых Штатов - спутниковой системы глобального позиционирования (Navstar Global Positioning System - GPS). Сегодня эта сеть состоит из тридцати спутников, движущихся по орбите высотой 20 180 километров. Скорость каждого спутника составляет около 11 тысяч километров в час, что позволяет облетать Землю дважды за сутки.

     Традиционный  метод передачи информации заключался в максимальном наполнении доступного частотного диапазона канала. Одним  из любопытных качеств связи с  расширенным спектром является то, что, при прежней мощности передаваемого сигнала та же самая информация распределяется на несколько частотных каналов. Если частоты разбросаны достаточно широко, то сигнал может раствориться в шуме и остаться незамеченным.

     При использовании передачи с расширенным  спектром приходится отделять нужную информацию от шума. Представьте себе, что в песочнице зарыли горсть перца. Кажется, что перец безвозвратно потерян в таком количестве песка. Но если знать, где именно зарыт перец, можно аккуратно откопать его.

     В технологии передачи с расширенным спектром для определения последовательности перехода сигнала по частотам используется секретный код. В технологии GPS этот секретный код называется C/A. Сигналы, передаваемые с помощью кодов C/A, похожи на случайный шум, поэтому коды также называют и псевдослучайными (PN codes), но в нашем материале, посвящённом потребительским GPS-устройствам, мы будем называть их C/A. Изначально для работы Navstar Global Positioning System было определено и опубликовано 32 кода C/A. Каждый из этих уникальных кодов привязывается к определённому спутнику на протяжении его времени жизни. У каждого приёмника GPS есть копия этих кодов C/A, поэтому он может держать связь со спутниками и расшифровывать передаваемый поток данных.

     Если  вы будете ловить частоты в той последовательности, которая описана кодом C/A, то вы сможете получить островок полезной информацию в океане шума. Если вы попытаетесь расшифровать эфир с помощью неверного кода, или код окажется верным, но вы потеряете синхронизацию, то поиски нужной информации ни к чему не приведут - вы получите один лишь шум.

     На  одном частотном диапазоне может  передаваться несколько совершенно разных каналов с данными, но их можно  разделить и восстановить. В системе GPS сигнал транслируется на одном  частотном диапазоне, но использует разные коды C/A, причём, с одной стороны они шифруют информацию, а с другой стороны "разбрасывают" сигнал по частотному диапазону. На орбите находится большое количество спутников, которые передают данные на одних и тех же частотах, но GPS-приёмник может выделить в сигнале информацию с отдельных спутников. Поэтому GPS-приёмники могут получать информацию от нескольких спутников, имея всего одну антенну.

     Благодаря технологии расширенного спектра, каждый спутник использует собственный  код C/A для шифрования потока данных и разброса его по частотам. Данные модулируются и, в соответствии с кодом C/A, "разбрасываются" в пределах 1-МГц полосы относительно несущей частоты GPS L1 (1575,42 МГц). Можно представить вещание спутников по аналогии с зашифрованными пакетами TCP/IP, пакеты разных потоков данных перемешаны между собой, причём коды C/A в данном случае используются не только для выборки нужных пакетов среди других, но и для задания последовательности, в которой следуют пакеты. GPS-приёмник, таким образом, постоянно сканирует эфир и использует набор из 32 возможных паролей, чтобы расшифровать данные. 
 

      3. Оптимальная структура спутниковых  систем местоопределения 

     автотранспорта 

     В настоящее время у многих ведомств и организаций возникает необходимость оперативного слежения за местоположением и состоянием подвижных объектов, а также передачи на них оперативной информации.

     Практически все заинтересованные диспетчерские  службы в настоящее время имеют  в своем распоряжении те или иные технические средства, позволяющие осуществлять контроль/слежение за передвижением своих объектов. Однако существующие средства не являются совершенными, обладают малой степенью автоматизации и имеют малую достоверность.

     В последние годы настоятельно ставится задача о внедрении новых надежных технических средств, которые позволили бы осуществлять автоматизированный сбор диспетчерской информации с подвижных объектов, а также передавать информацию на объекты. Технически эта задача может быть выполнена целым рядом средств, как традиционных, так и спутниковых. На практике, однако, ни одна из возможных систем так и не была реализована на территории России.

     Создание  такой системы позволит обеспечить автоматизированный сбор информации о  дислокации подвижных объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости от их местоположения на Земном шаре, т.е. в глобальном режиме. При этом средства системы будут автоматически вычислять географические координаты местоположения объектов и направлять их в соответствующие диспетчерские пункты пользователей. Информация может быть также запрошена с объекта по инициативе диспетчера из диспетчерского пункта и имеется возможность передать на объект необходимую информацию.

     Средства  системы позволяют не только решать коммерческие цели управления, но и обеспечат повышение безопасности движения объектов и будут способствовать охране человеческой жизни. Данные о дислокации аварийных объектов могут быть переданы в соответствующие поисково-спасательные службы.

     Изучения, проведенные в России показали, что имеются следующие основные категории потенциальных пользователей, заинтересованные в получении оперативной информации с подвижных и стационарных объектов:

     1. Администрации, эксплуатирующие  автомобильный транспорт.

     2. Организации, эксплуатирующие подвижной железнодорожный состав и специальные средства.

     3. Организации, эксплуатирующие подвижные  автомобильные объекты.

     4. Научные организации, проводящие  с помощью подвижных технических  средств изучение окружающего  пространства.

     5. Организации, эксплуатирующие магистральные трубопроводы и иные удаленные объекты.

     6. Предприятия топливно-энергетического  комплекса.

     7. Сельскохозяйственные предприятия.

     8. Коммерческие структуры.

     Анализ  требований потенциальных пользователей  к системам сбора оперативной  информации позволил выявить следующее:

     1. Необходимость автоматического  определения географического местоположения  объекта, не требующего вмешательства  оператора в работу оконечного  устройства. При этом требования  к точности определения местоположения  варьируются от нескольких метров до десятков километров. Некоторые категории объектов движутся по строго определенным маршрутам (поезда, автомобили), в то время, как другие имеют большую свободу перемещений.

     2. Требования к оперативности доставки  информации от оконечного устройства до пункта сбора данных пользователя изменяются от нескольких минут до нескольких часов.

     3. Количество определений - от нескольких  раз в месяц до нескольких  раз в час.

     4. Возможность передачи дополнительной  информации с подвижного объекта  и на объект. При этом выявлен достаточно широкий диапазон информации, подлежащей передачи.

     5. Наличие простых и недорого стоящих оконечных устройств пользователей, которые при необходимости могли бы работать от автономных источников питания.

     В использовании системы слежения за местоположением подвижных объектов проявили заинтересованность ряд ведомств и организаций (МВД, МПС и др.). Отдельно стоит отметить заинтересованность в приобретении средств мониторинга автотранспортными предприятиями.

     Система должна обеспечивать возможность слежения за передвижением ценных грузов, легкового автотранспорта и других подвижных объектов в реальном масштабе времени с точностью определения местоположения до 50 метров, а также получения от объектов аварийной информации.

     В состав системы должны входить главный и региональные диспетчерские центры, в которые информация от объектов должна поступать одновременно.

     Должна  быть предусмотрена возможность  запросов о местоположении и состоянии  объектов из диспетчерских центров, а также передача на них информации.

     Тип передаваемой информации - цифровой.

     Терминалы, устанавливаемые на подвижные объекты, должны быть устойчивы к вибрационным воздействиям, иметь малые габариты, вес (не более 1 - 1,5 кг) и энергопотребление. Электропитание должно осуществляться от автономного источника.

     Необходимо  предусмотреть возможность автоматического  срабатывания терминалов в аварийных  ситуациях.

     Терминалы должны обеспечивать бесперебойную  работу в диапазоне температур от - 50 до +50 °С при влажности воздуха при 30 °С - 99%.

     Антенны терминалов должны иметь малые габариты и обеспечивать бесперебойную связь  при скорости ветра до 30 м/сек. 
 

      4. Спутниковая радионавигационная система Глонасс 

     4.1 Общие сведения  о системе 

     Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения, вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

     подсистема  космических аппаратов (ПКА), состоящая  из навигационных спутников ГЛОНАСС  на соответствующих орбитах;

     подсистема  контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов контроля и управления;

     аппаратуры  потребителей (АП).

     Считается, что возможности существенного  повышения точности навигационных  определений связаны с созданием  глобальной системы отсчета, использующей самоопределяющиеся навигационно-геодезические спутники без привлечения измерений с поверхности Земли.

     Система ГЛОНАСС с полностью развернутой  группировкой НС характеризуется вероятностью обеспечения навигационных определений не хуже 0,947 в непрерывном навигационном поле. Точностные характеристики определения плановых координат, высоты и времени равны соответственно 30 м, 30 м и 1 мкс, а доступность системы - 0,98).

     Информация, передаваемая потребителям ГЛОНАСС  в составе служебной информации конкретного НС, содержит координаты фазового центра передающей антенны данного НС в геоцентрической системе координат. Эта система координат также как и принятая в СРНС СРS система координат WGS-84 относится к декартовым системам типа ЕСЕР (Еаrth-сеntеred Еаrth-fixed, т.е. начало координат расположено в центре масс Земли и направления осей связаны с Землей). До 1993 г. в СРНС ГЛОНАСС использовалась система координат СГС-85.

     Частотно-временное  обеспечение реализуется системой синхронизации ГЛОНАСС, которая  обеспечивает формирование единой системной шкалы времени, синхронизацию БШВ (бортовых шкал времени) каждого с СШВ. расчет частотно-временных поправок (ЧВП). определение расхождения СШВ относительно шкалы Государственного эталона координированного всемирного времени UТС (SU), расчет поправок к СШВ, закладку поправок на борт НС (дважды в сутки) для передачи их потребителям в составе навигационного сообщения.

     Частотно-временные  поправки рассчитывают на каждом витке  НС в виде двух параметров линейной аппроксимации расхождения БШВ  относительно НС на тридцати - (шестидесяти) минутном интервале и закладываются  дважды в сутки (ориентировочно каждые 12 ч) на борт каждого НС.

     Шкала времени каждого спутника ГЛОНАСС  может эпизодически подвергаться коррекции  с целью того, чтобы отличие  этой шкалы от шкалы времени центрального хронизатора не превышало + 1 нс. В  этом случае и течение времени, необходимого наземному комплексу для проведения сверки и формирования поправок, в навигационном сообщении передаются признаки, запрещающие использование лого спутника для целей навигации.

     Шкала системного времени в ГЛОНАСС  корректируется одновременно с коррекциями  на целое число секунд шкал UТС (SU), проводимыми Службой Всемирного времени. Коррекции шкал UTС необходимы для их согласования с астрономической шкалой UT1 всемирного времени. Указанная коррекция СШВ ГЛОНАСС осуществляется в 00 ч 00 мин 00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 декабря на 1 января. О планируемом проведении секундной коррекции СШВ ГЛОНАСС сообщается заблаговременно.

     Наземный  сегмент системы ГЛОНАСС - подсистема контроля и управления, предназначена  для контроля правильности функционирования, управления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС; центральный синхронизатор; контрольные станции; система контроля фаз; квантооптические станции; аппаратура контроля поля.

     Наземный  сегмент выполняет следующие  функции:

     проведение  траекторных измерений для определения  и прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

     временные измерения для определения расхождения  бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизация спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников;

     формирование  массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров;

     передача (закладка) массива служебной информации, в память ЭВМ каждого спутника и контроль за его прохождением;

     контроль  по телеметрическим каналам за работой  бортовых систем спутников и диагностика  их состояния;

     контроль  информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ;

     управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля;

     определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора;

     планирование  работы всех технических средств  ПКУ, автоматизированная обработка  и передача данных между элементами ПКУ.

     Центр управления системой соединен каналами автоматизированной и неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании принятого для ГЛОНАСС ежесуточного режима управления спутниками в рамках технологического цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает данные для прогноза эфемерид и частотно-временных поправок, осуществляет с помощью, так называемого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик системы, анализ баллистической структуры и расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

     Контрольные станции (станции управления, измерения  и контроля или наземные измерительные  пункты) по принятой схеме радиоконтроля  орбит осуществляют сеансы траекторных  и временных измерений, необходимых  для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем - спутников. С их помощью происходит закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и оперативных команд для управления бортовыми системами