Навигационные системы в автомобильной отрасли

Курсовая работа

По дисциплине: Управление техническими системами

Тема: Навигационные системы в автомобильной отрасли

Содержание

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

1. Система GPS………………………………………………………...4

1.1. История…………………………………………………………….4

1.2 Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника…………………………………………………………………5

1.3 Общие принципы  определения координат с помощью  GPS…….6

2. Глобальная навигационная спутниковая система…………………9

2.1. Как работает система ГЛОНАСС?.................................................11

2.2. Состав системы  ГЛОНАСС………………………………………12

2.3.Орбитальная  структура спутников ГЛОНАСС………………….12

2.4. Спутник ГЛОНАСС……………………………………………....14

2.5  Выведение спутников ГЛОНАСС в орбиту…………………….18

2.6. Наземный  комплекс управления……………………………...…19

2.7. Потребители  системы ГЛОНАСС………………………………19

Заключение…………………………………………………………….20

Список литературы  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     В данном реферате рассматривается ГЛОНАСС  – Глобальная навигационная система, ее состав и принцип действия. А  так же история развития системы глобального позиционирования, общий принцип определения координат с помощью GPS.

     Системы позиционирования позволяют повысить производительность в полевой геофизике: камеральных, полевых и геодезических  работ. Новые системы управления транспортом, разработанные за последние годы позволяют оператору видеть созданный компьютером объект и обновлять информацию о нем. Это все и многое другое принесли разработки последних лет в геодезию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. СИСТЕМА GPS

     1.1 История 

     Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging - навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

     Первые  шаги по развертыванию навигационной  сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в  работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).

     Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало  решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA - selective availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров). 
 
 
 

     1.2 Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. 

     Попробуем разобраться в общих чертах, как  устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.

     Дальнометрия  основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения  радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.

     Каждый  спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот - L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code - точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).

     Период  повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.

     Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация  часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность  может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).

     Кроме самих навигационных сигналов, спутник  непрерывно передает разного рода служебную  информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых "альманах", содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.  

     1.3 Общие принципы определения координат с помощью GPS. 

     Основой идеи определения координат GPS-приемника  является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией.

     Если  известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой  точке сферы радиусом А, описанной  вокруг спутника). Пусть известна удаленность  В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится где-то на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

     Однако  в жизни все не так просто. Приведенные  выше рассуждения были сделаны для  случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

     Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения  соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

     Следует отметить, что точность определения  координат связана не только с  прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

     Кроме перечисленных, существует еще масса  специальных систем, увеличивающих  точность навигации, - например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

     После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

     Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет  режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS - Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников - один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется "базовым", а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при "оффлайновой" обработке данных, например, на компьютере.

     Обычно  в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания "НавГеоКом" установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции - 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

     Следует заметить, что основными заказчиками  дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы - для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

     В заключение части, повествующей о "теоретических" аспектах функционирования GPS, скажу, что  Россия и в случае с космической  навигацией пошла своим путем  и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы. 
 

2. Глобальная навигационная спутниковая система

     Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) - это сумма уникальных технологий, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). В создании системы ГЛОНАСС принимали участие:

     Министерство  обороны Российской Федерации - головной заказчик системы, обеспечивающий контроль разработки и ее дальнейшее совершенствование, а также развертывание, поддержание и управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС;

     Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф.Решетнева (НПО ПМ) - головной разработчик системы, спутника ГЛОНАСС, автоматизированной системы управления спутниками и ее математического обеспечения;

     Российский  научно-исследовательский институт космического приборостроения (РНИИ КП)- головной разработчик наземного комплекса управления и бортовой аппаратуры спутника ГЛОНАСС;

     Российский  институт радионавигации и времени (РИРВ) - головной разработчик спутниковой  и наземной аппаратуры системы синхронизации  и времени;

     Производственное  объединение "Полет" (ПО "Полет") - разработчик и изготовитель спутника ГЛОНАСС, а также ряд других российских научных и производственных организаций.

     Первый  запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос 1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента Российской Федерации 658рпс с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ от 7 марта 1995 г. №237 были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей. 

       Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно  излучают навигационные сигналы  двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

     - горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

     - вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

     - составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

     - точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

     Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод  навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

     Сигнал  ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

     Для определения пространственных координат  и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.

     Одновременно  с проведением измерений в  приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток  времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение  данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC). 

     2.2. СОСТАВ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС:

     2.3.Орбитальная структура спутников ГЛОНАСС 

       Полная орбитальная структура  системы ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, равномерно размещенных  трех орбитальных плоскостях.

     Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120град.( по абсолютной долготе восходящего узла). Плоскостям присвоены номера 1,2,3 с возрастанием в направлении вращения Земли. Номинальные значения абсолютных долгот восходящих узлов идеальных плоскостей, зафиксированных на 00 часов Московского времени 1 января 1983 года, равны:

     215град15мин00сек  + 120град (i - 1), где 

     i- номер плоскости (i = 1,2,3)

     Номинальные расстояния между соседними спутниками ГЛОНАСС в орбитальной плоскости  по аргументу широты составляют 45град.

     Средняя скорость прецессии орбитальных  плоскостей равна (- 0,00059251) радиан/сутки.

     Спутникам 1-й плоскости присвоены номера 1-8, 2-й плоскости - 9-16, 3-й плоскости - 17-24, с возрастанием против направления  движения спутника.

     Аргументы широты спутников с номерами j = N + 8 и j = N + 16 отличаются от аргументов широты спутников с номерами j = N и j = N + 8 на +15град., соответственно, (где N = 1...8) и составляют на 00 часов Московского времени 1 января 1983 года:

     145град 26мин 37сек+ 15град(27 - 3j + 25j*, где j = (1...24) - номер спутника;

     j* = E((j - 1)/8) - т.е. целая часть числа  (j - 1)/8.

     Другими словами, орбитальные плоскости  сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15град.

     Максимальные  уходы спутников относительно идеального положения в орбитальной плоскости не превышают 5град. на интервале 5 лет.

     Интервал  повторяемости трасс движения спутников  и зон радиовидимости для наземных средств - 17 витков (7 суток, 23 часа 27 минут 27 секунд).

     Драконический период обращения спутника ГЛОНАСС - 11 часов 15 минут 44 секунды.

     Высота  орбиты - 19100 км (18840...19440 км).

     Наклонение  орбиты - 64,8 +0,3град.

     Эксцентриситет - 0 + 0,01

     Такая конфигурация орбитальной структуры  позволяет обеспечивать глобальную и непрерывную зону действия системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.

     Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется с космодрома Байконур с помощью  ракеты-носителя "Протон", разгонного блока 11С861-01 и СЗБ 11Ф639.М0000-0-01. Одним носителем одновременно выводятся три спутника ГЛОНАСС.

     Перевод каждого спутника в заданную точку  орбитальной плоскости производится с помощью собственной двигательной установки.  

     2.4 Спутник ГЛОНАСС 

     Спутник ГЛОНАСС конструктивно состоит из цилиндрического гермоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств, приборов системы ориентации, панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами. На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для калибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности до спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли. В состав бортовой аппаратуры входят:

     - навигационный комплекс;

     - комплекс управления;

     - система ориентации и стабилизации;

     - система коррекции;

     - система терморегулирования;

     - система электроснабжения.

       Навигационный комплекс обеспечивает  функционирование спутника как  элемента системы ГЛОНАСС. В  состав комплекса входят: синхронизатор,  формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов.

     Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию  и выдачу бортовой шкалы времени.

     Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов содержащих дальномерный код и навигационное  сообщение.

       Комплекс управления обеспечивает  управление системами спутника  и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система, блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля.

     Командно-измерительная  система обеспечивает измерение  дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии.

     Блок  управления обеспечивает распределение  питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.

       Система ориентации и стабилизации  обеспечивает успокоение спутника  после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных  батарей на Солнце и продольной  оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты. В системе используются прибор на основе инфракрасного построения местной вертикали (для ориентации на центр Земли) и прибор для ориентации на Солнце. Погрешность ориентации на центр Земли не хуже 3град., а отклонение нормали к поверхности солнечной батареи от направления на Солнце - не более 5град. Для минимизации возмущений на движение центра масс спутника разгрузка двигателей маховиков производится с помощью магнитопровода. В качестве исполнительного органа при осуществлении успокоения и стабилизации спутника во время выдачи импульса коррекции используется двигательная установка.

     Режим успокоения, в результате которого происходит гашение угловых скоростей, включается в зоне радиовидимости.

     В режиме начальной ориентации на Солнце осуществляется разворот спутника относительно продольной оси с помощью управляющих  двигателей-маховиков до появления Солнца в поле зрения прибора ориентации на Солнце, который установлен на панели солнечных батарей.

     Режим ориентации на Землю начинается из положения ориентации на Солнце путем  разворота спутника с помощью  двигателей-маховиков вдоль оси, ориентированной на Солнце, до появления Земли в поле зрения прибора ориентации на центр Земли. В штатном режиме обеспечивается ориентация оси спутника вместе с антеннами на центр Земли с помощью управляющих двигателей-маховиков по сигналам с приборов ориентации на центр Земли, ориентация солнечных батарей на Солнце путем разворота спутника вместе солнечными батареями с помощью управляющего двигателя-маховика по одному каналу и разворотов панелей батарей относительно корпуса спутника с помощью привода вращения солнечных батарей по другому каналу по сигналам приборов ориентации на Солнце.

     В режиме ориентации перед проведением  коррекции и стабилизации спутника во время выдачи импульса коррекции  отслеживание ориентации на Солнце не производится. Система коррекции  обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления ей. Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 г и двух двигателей коррекции с тягой 500 г.