МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Географический  факультет 
 
 
 
 

Реферат по топографии на тему:

  «История создания  GPS-навигации. Принципы работы GPS и их сравнение с системой Глонасс » 
 
 
 
 

Выполнил: студент 6 группы 1 курса

Сажин Иван 
 
 

        Проверил:                   
 
 

      Москва-2011 

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………………………..3

1)ИССЛЕДОВАНИЕ  ВОПРОСА О ПРИМЕНЕНИИ  СПУТНИКОВ В ЦЕЛЯХ  НАВИГАЦИИ в 1950-60-х  гг. в СССР и  США…………………………………………………………………………………………………………….4

2)СОЗДАНИЕ GPS и ГЛОНАСС…………………………………………………………..………..5

3)ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ…………………………......6

4)ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………………..8

5) ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………………………………….10

ВВЕДЕНИЕ

С давних времен путешественники задавались вопросом: как определить свое

местоположение  на Земле? Древние мореплаватели  ориентировались по звездам,

указывающим направление  движения: зная среднюю скорость и  время в пути, можно было сориентироваться в пространстве и определить расстояние до конечного пункта назначения. Однако погодные условия не всегда были на руку исследователям, поэтому сбиться с курса не представляло особого труда. С появлением компаса задача существенно упростилась. Путешественник уже в меньшей мере зависел от погоды.  

Эра радио открыла  новые возможности перед человеком. С появлением

радиолокационных  станций, когда стало возможным  измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отраженному от его поверхности лучу радиолокатора, встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. 

Сейчас определение своего положения с помощью GPS навигатора, отдельного

прибора, или  устройства, встроенного в карманный  компьютер или сотовый

телефон, уже  стало совершенно обычной вещью. 

Постепенно столь  же привычным становится определение  положения

объекта с помощью  систем телематики на основе GPS/GSM/GPRS, когда на

мониторе компьютера или экране сотового телефона можно увидеть

участок карты  с отметкой, где находится другой человек или его автомобиль.

"GPS" -  это  первые буквы английских слов "Global Positioning System" -

глобальная система  местоопределения или позиционирования. Система GPS состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников вычислителей. 

"GPS" и Глонасс предназначены для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. По радиосигналам спутников GPS приемники пользователей устойчиво и точно определят текущие координаты местоположения. Погрешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т.д.). 

Как и многие многоцелевые вещи в нашем быту, приемник системы

глобального позиционирования (GPS) по мере знакомства с ним обнаруживает

массу полезных свойств, даже сверх тех, для которых  он был приобретен

первоначально. Оказывается, существует много любопытных вопросов, на

который он с  легкостью отвечает, — например, какую скорость вы развиваете

при ходьбе, какое расстояние вы преодолеваете при занятии бегом и с какой

максимальной  и средней скоростью, какую скорость вы развили, спускаясь с

горы на лыжах, насколько точен спидометр вашего автомобиля и т. д. Однако

основное его  назначение — определение координат. Для этого и была создана система глобального позиционирования. Понять как, где и для чего была создана системы GPS и ГЛОНАСС – цель этого реферата. Постараемся ответить на эти вопросы.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ  ВОПРОСА О ПРИМЕНЕНИИ СПУТНИКОВ В ЦЕЛЯХ  НАВИГАЦИИ в 1950-60-х гг. в СССР и США.

В 1957 году, когда был впервые запущен искусственный спутник Земли(ИСЗ), в СССР начались исследования по вопросам применения ИСЗ в народном хозяйстве. В тот же год группа ученых под руководством В. А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи — нахождения координат приемника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения координаты этого спутника известны . При движении по орбите спутник излучает сигнал определенной частоты, номинал которой известен на приемной стороне (потребитель). Положение ИСЗ в каждый момент времени известно, точнее, его можно вычислить на основании информации, заложенной в сигнале спутника. Пользователь, измеряя частоту пришедшего к нему сигнала, сравнивает ее с эталонной и таким образом вычисляет доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением спутника.

Первые версии радионавигационных систем первого поколения в СССР и США были созданы в 1967-1968 гг. – соответственно - «Цикада» и «Transit».

В этих системах координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют

круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли 1100 км, период обращения спутников “Transit” равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это в свою очередь приведет к ошибке определения координат 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м. Кроме того, в этих системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что системы низкоорбитные, время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа. Кроме того, время между прохождением различных спутников зоны видимости потребителя зависит от географической широты, на которой он находится, и может составить величину от 35 до 90 минут. Уменьшение этого интервала путем наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и той же частоте. 

Следовательно, спутниковые навигационные системы второго поколения обладают рядом существенных недостатков. В первую очередь — недостаточная точность определения координат динамичных объектов. К недостатку можно отнести также отсутствие непрерывности в измерениях. Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов (шкал времени) спутников с необходимой точностью. Рассогласование опорных генераторов спутников на 10 нс приводит к ошибке в определении координат потребителя 10—15 м [2]. Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики при создании высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ. Аппаратура приемника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя. 

2)СОЗДАНИЕ GPS и ГЛОНАСС 

Для этих целей  в 1967 году ВМС США была разработана  программа, по которой был осуществлен запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 году — спутника TIMATION-II. На борту этих спутников использовались кварцевые генераторы. В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 году две программы были объединены

в одну общую  под названием “Navstar-GPS” . К 1996 году развертывание системы было завершено. В данный момент доступно 28 активных спутников. 

В СССР летные испытания  высокоорбитальной спутниковой  навигационной системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника “Космос-1413” . Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам — ПО “Полет” (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации

и навигационной  аппаратуры потребителей определен  Российский институт радионавигации и времени [6].

3)ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

А теперь подробно сформулируем всё то, что было первоначально создано в 70-х гг. в США и СССР и затем изменялось в процессе их доработки. Пик изменений в системах глобального позиционирования пришёлся на 80-е годы. После того, как в 1983 году вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту был сбит из-за дезориентации экипажа в пространстве, президент США Рональд Рейган с целью не допустить в будущем подобные трагедии разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей.GPS перестала быть чисто военной навигационнной системой. Глонасс  же был введен для гражданского пользования гораздо позже – в 1992 году. В 1984 году вводится новая система координат  в  американской GPS -  World Geodetic System (WGS84) — всемирная геодезическая система. В глобальной навигационной спутниковой системе «Глонасс» используется ПЗ90 — система параметров Земли, принятая в 1990 году. Они отличаются параметрами общеземного эллипсоида - самой простой в

математическом  смысле моделью Земли. Эллипсоид подбирают так, чтобы его поверхность как можно ближе подходила к поверхности геоида. Геоид можно представить себе как поверхность, совпадающую с невозмущенной поверхностью мирового океана и мысленно продолженную под материками. Итак, из-за использования различных эллипсоидов, координаты, используемые в этих геодезических системах, могут расходиться на 100–150 м. 
 

Сетевая радионавигационная спутниковая система(СРНСС) GPS. 

Global Positioning System (GPS) переводится как глобальная система позиционирования. Термин «позиционирование» — более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает определение вектора скорости движущегося объекта. Полное название системы GPS Navstar - Navigation System with Time and Ranging — навигационная система на основе временных и дальномерных измерений.

GPS состоит из  трех частей: космического сегмента, сегмента управления и контроля  и сегмента пользователей. Спутниковый  сегмент состоит из созвездия функционирующих в эпоху наблюдений спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя — это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе. Номинально в каждый момент времени имеется 24 работающих спутника, которые распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится четыре спутника. Плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние спутников от поверхности Земли — 20,2 тыс. километров. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток. Самым дорогим оборудованием спутников являются атомные эталоны частоты времени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов. 

 Главная станция  управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает положения спутников, параметры хода часов. 

Затем данные передают на одну из трех наземных станций для  закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные  по всему миру, каждые полторы секунды  определяют дальность до всех находящихся  над горизонтом спутников. Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля. У системы GPS cпутники передают сигналы двух видов. Один из них несет информацию о местонахождении спутника и времени передачи сигнала. Он принимается стационарными наземными станциями, обрабатывается и отправляется на спутник, который передает его всем пользователям системы. Второй сигнал — код, необходимый для определения времени передачи сигнала. Создатели системы называют его псевдослучайным шумом. 

Сигнал, идущий от спутников, напоминает три сферы, пересекающиеся в различное время  в разных точках. Для пользователя, находящегося на Земле, существует только один момент их соприкосновения в данный промежуток времени. Именно в этом – и главное предназначение уже упомянутых атомных часов. В большинстве GPS приемников же обычные часы могут отставать на одну или более секунд в день. Можно подсчитать, что ошибка всего в одну секунду изменит расстояние от спутника до пользователя на 300 тыс. км.  

Сетевая радионавигационная спутниковая система  Глонасс

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 или сегмента: 

• 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 трех 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 удаленных наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с ее помощью можно производить определение ориентации объекта на основе

измерений, производимых от четырех приемников 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[1]. 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% 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. Таковы основные характеристики навигационных систем, используемых в целях глобального позиционирования.

4)ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие  спутниковой навигации в 90-х и 2000-х гг. 

Общее направление  модернизации обоих спутниковых  систем GPS и Глонасс связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надежностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются. Совершенствование системы ГЛОНАСС осуществляется на базе спутников нового поколения “ГЛОНАСС-М”. Этот спутник обладает увеличенным ресурсом

службы и излучатет навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских применений. Аналогичное решение было принято в США, где 5 января 1999 года было объявлено о выделении 400 млн. долл. на модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7 МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА. Всё это было до конца реализовано в конце 2005 года. С 2003 года сигнал на частоте L2 намечено использовать для гражданских нужд, не связанных непосредственно с опасностью для жизни людей. Третий гражданский сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.  

Применение GPS 

Несмотря на то, что изначально проект GPS был  направлен на военные цели, сегодня GPS всё чаще используются в гражданских  целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны и КПК. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

Геодезия и навигация: с помощью GPS и Глонасс определяются точные координаты точек и границы земельных участков. GPS используется в гражданской и военной картографии. С применением систем глобального позиционирования осуществляется как морская, так и дорожная навигация - спутниковый мониторинг транспорта: его положения, скоростей автомобилей, осуществляется контроль за автомобильным 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.

Геология: также с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний тектонических плит, что является очень перспективным для развития динамической и структурной геологии.  

Плюсы навигационных  глобальных систем позиционирования очевидны…Значение  их для современной жизни невозможно преуменьшить. Теперь главная цель систем спутниковой навигации Глонасс и GPS – уменьшить количество недостатков.Министерство обороны США решило начать полное обновление системы GPS. Оно было запланировано достаточно давно, но начать реализовывать этот проект удалось только сейчас. В ходе обновления старые спутники заменят на новые, которые разработаны и произведены компаниями Lockheed Martin и Boeing. Утверждается, что они смогут обеспечивать точность позиционирования с погрешностью 0,5 метра.[9]

Реализация данной программы займёт некоторое время. В Министерстве обороны США утверждают, что полностью завершить обновление системы удастся только через 10 лет. Количество спутников изменено не будет, их по-прежнему будет 30( по данным 2011 года): 24 работающих и 6 резервных. 

5)ЛИТЕРАТУРА

1. Е. Поваляев, С. Хуторной . Статья «Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS», М:2005

2. Соловьев,Юрий Арсеньевич. Системы спутниковой навигации М. : Эко-Трендз, 2000

4. Соловьев Юрий Арсеньевич. Спутниковая навигация и ее приложения / М : Эко-Трендз, 2003

5. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н.Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.

6. Липкин,Исаак Аронович. Спутниковые навигационные системы / И.А.Липкин М. : Вуз.кн., 2001

7. Одуан,К .. Измерение времени. Основы GPS / К.Одуан,Б.Гино;Пер.с англ.Ю.С.Домнина под ред.В.М.Татаренкова с доп.(гл.10) М.Б.Кауфмана М. : Техносфера, 2002

8. Б.К. Леонтьев: «GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить» М:2006

9. Статья из Википедии о GPS: http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS