Содержание

1. Вступление

2. Актуальность темы

3. Научная значимость работы

4. Практическая ценность результатов работы

5. Виды навигационных систем

6. Спутниковые радионавигационные системы

7. Основные положения систем GPS и ГЛОНАСС

8. Сущность местонахождения

9. Методы определения координат объекта

10. Заключение

11. Список литературы

 

 

Вычисление координат подвижного объекта

 

 

 

Вступление

 

Стремительное развитие технологий в последние десятилетия привело к появлению новых навигационных систем. В течение многих веков термин «навигация» означал совокупность указанных значений. В наше время понятие навигации приобрело следующий характер: «навигация» – раздел науки о способах проведения морских, воздушных судов и космических летательных аппаратов из одной точки пространства в другую.

Эта задача решается методами и приборами мореходной, воздушной и космической навигации, которые позволяют определить местоположение и ориентацию движущегося объекта относительно принятой системы координат, величину и направление скорости движения, направление и расстояние до места назначения и т.д.

К задачам навигации также относится определение оптимального маршрута движения, под которым понимается требование обеспечения максимальной безопасности и экономичности вывода объекта в заданную точку пространства в определенный момент времени с установленной точностью.

 

 

Актуальность темы

Задача вычисление координат подвижного объекта актуальна, т.к. в настоящее время требуется высокая точность и достоверность положения объекта. В связи с этим ведуться исследования по улучшению систем навигации и вывод их на новый, более высокий уровень.

 

 

Научная значимость работы

Научная значимость данной работы заключается в разработке более точного метода определения координат с использованием нескольких видов навигационных систем.

 

 

Практическая ценность результатов работы

В ходе выполнения работы после проведения моделирования с улучшенными методами предполагается получить более оптимальный и достоверный метод определения координат для подвижных объектов.

 

 

Виды навигационных систем

 

– Доплеровские системы навигации : относятся к классу автономных, т.е. таких систем, в которых необходимая навигационная информация получается с помощью только бортового оборудования, без применения каких-либо наземных средств.

– Инерциальные навигационные системы : это точные автоматические устройства, основанные на применении измерителей ускорений (акселерометров), стабилизаторов для удержания акселерометров в определенном положении относительно инерционной системы координат (ИСК), счетно-решающих устройств для вычисления местоположения подвижных объектов и указывающих приборов.
ИНС по способу определения координат местонахождения относятся к системам счисления пути. Они используются для решения следующих навигационных задач:
– непрерывного измерения с помощью акселерометров ускорений центра масс под действием активных (негравитационных) сил;
– моделирования навигационных систем координат (НСК);
– вычисления составляющих скорости путем однократного интегрирования и координат местонахождения центра масс путем двухкратного интегрирования измеренных ускорений.

– Астрономические навигационные системы : предназначены для определения координат объекта и его истинного или ортодромического курсов по данным, полученным измерением положения звезд, Солнца, планет и Луны на небосводе.
Решение астрономических навигационных задач базируется на авиационной астрономии. Авиационная астрономия – это наука, изучающая теорию использования небесных светил для управленияподвижных объектов, астрономические средства и практику их применения. Многие современные подвижные объекты оборудованы сложными навигационными комплексами, где наряду с другими приборами и устройствами широко применяются астрономические средства.

– Радионавигационные системы

    – радионавигационные системы дальней навигации : позиционные системы    определения местоположения подвижных объектов (потребителей навигационной    информации), дальность действия которых не ограничена дальностью прямой    видимости и составляет тысячи километров. Несущие частоты сигналов РСДН лежат в    пределах 10…100 кГц. Все РСДН представляют собой пассивные многопозиционные    системы, основу которых составляет сеть опорных передающих радиостанций,    размещаемых в точках с известными координатами (радионавигационные точки РНТ).

   – радиосистемы ближней навигации : угломерно-дальномерные и дальномерные    позиционные системы определения местоположения подвижного объекта в пределах дальности    прямой видимости. Основу РСБН составляет сеть наземных дальномерных и    угломерных радиомаяков, размещаемых в РНТ.

– Спутниковые радионавигационные системы : основаны на использовании координированной по движению и излучению сигналов сети навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). Спутниковые РНС обеспечивают непрерывное и практически мгновенное определение местоположения и скорости потребителя в подавляющем большинстве районов земного шара (глобальные системы) с точностью, на порядок превышающей точность РСДН. Для работы СРНС выделены частоты в диапазоне дециметровых волн, близкие к оптимальным с точки зрения минимального поглощения сигнала при распространении и размеров антенн, используемых для передачи и приема. Функции опорных станций в СРНС выполняют НИСЗ.
Возможны как активные с активным ответом, так и пассивные СРНС. Большинство СРНС представляют собой многопозиционные пассивные системы, имеющие неограниченную пропускную способность. [1]

 

Из-за ряда преимуществ спутниковые радионавигационные системы получили большое применение во многих областях науки и техники.

 

 

Спутниковые радионавигационные системы

 

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

 

– NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System (читается Джи Пи Эс) — обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Рис. 1. Спутник GPS

Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.[4]

 

– Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) — советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS.[5]

Рис. 2. Спутник ГЛОНАСС

 

– Галилео (Galileo) — совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства, является частью транспортного проекта Трансъевропейские сети (англ. Trans-European Networks). Система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее одного метра.

Рис. 3. Спутник Galileo

Ныне существующие GPS-приёмники не смогут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео, хотя достигнута договорённость о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения.[6]

 

– IRNSS (англ. Indian Regional Navigation Satellite System) — индийская региональная навигационная спутниковая система, проект которой был окончательно принят к реализации правительством Индии. Бюджет проекта составил более 300 миллионов долларов. IRNSS будет обеспечивать только региональное покрытие самой Индии и частей сопредельных государств. Общее количество спутников системы IRNSS: 7.
Проектная дата завершения работ: 2011 год. Текущее состояние: первый спутник был запущен в 2008 году.[7]

 

– Бэйдоу (кит. 北斗 běidǒu, буквально — Северный Ковш, китайское название созвездия Большой Медведицы, сокращенно — BD) — спутниковая система навигации, созданная Китаем. На январь 2010 г. включала в себя 3 спутника, расположенных на геостационарной орбите и обеспечивала определение географических координат в Китае и на соседних территориях. Планируется что система заработает на полную мощность к 2020 году.[7]

 

В настоящее время широко используются 2 системы: GPS и ГЛОНАСС.

 

 

Основные положения систем GPS и ГЛОНАСС

 

GPS - Global Posиtиonиng System. Параллельная название NAVSTAR — Navиgatиon Satellite Тиmиng and Rangиng. Разработки концепции начаты в 1973 г. Запуск спутников первого блока начат в 1978 г. В 1983 г. заговорили о гражданское применение. Эксплутационная готовность объявлена в начале 1995 г.

ГЛОНАСС — Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Разработки начаты в середине 70-х годов. В 1982 г. выведены первые ее спутники серии космос. В сентябре 1993 г. официально принята в эксплуатацию МО РФ. В марте 1995 г. правительство РФ специальным постановлением за N237 открыла систему для гражданского применения и международного сотрудничества. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. В 1999 г. распоряжением Президента РФ отнесена к космической технике двойного назначения, применяемой в интересах безопасности РФ и в гражданских целях. Уже работают приемные устройства, одновременно используют и GPS и ГЛОНАСС.[2]

Рис. 4 Созвездие спутников

Подсистемы спутниковых систем. Выделяются три главных подсистемы (сегменты, секторы): наземного контроля и управления (НКУ), созвездие спутников (космических аппаратов — КА), аппаратуры пользователей (АП). Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт КА. Cпутник GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация о орбиты обрабатывается и прогнозируются координаты спутников (эфемериды). Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого КА. GPS управляют главная станция на базе ВВС Колорадо-Спрингс и наземные станции в Колорадоспрингс, на острове Вознесения, острове Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн, Гавайских островах и др. (Shank, L.avгakas, 1994). Для уточнения эфемерид используются результаты измерений на пyнктах международных глобальных сетей, например таких, как CИGNEТ и ИGS.

Подсистема КА состоит из 24 основных и 3 резервных спутников (планируется увеличить еще на 18 спутников. Каждый спутник имеет по несколько атомных эталонов частоты и времени, аппаратуры для приема и передачи радиосигналов, бортовые компьютерные аппаратуры. Размеры спутников с учетом панелей солнечных батарей более 5 м. Вес спутника — 1 т. Расчетное время существования на орбите 7-8 лет. КА сохраняет стабильным заданное положение на орбите, принимает и хранит информацию с наземных станций, а также непрерывно передает в аппаратуре пользователей измерительные радиосигналы, данные о точном времени, свои координаты и другие сведения.

В ГЛОНАСС также 24 основных и 3 резервных спутника. Масса аппарата — 1,5 т, его длина около 8 м, срок активного существования КА 3-5 лет. Запуск спутников идет с космодрома Байконур. НКУ включает Из управления системой под Москвой (ЦУС), центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным водородным стандартом частоты и времени для синхронизации системы, сеть на территории РФ контрольных станций (КС) - осуществляют сеансы траекторных и временных измерений, собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем, обеспечивающих закладки на спутники 1 или 2 раза в сутки высокоточных эфемерид и временных поправок; система контроля фаз (СКФ) для синхронизации фаз сигналов, излучаемых всеми спутниками, и определение сдвигов бортовых шкал времени; квант-оптические станции (КОС) для периодической юстировки радиотехнических каналов измерения дальности; аппаратуры контроля поля (АКП) — представляет собой аппаратуры пользователей, установленную на контрольных станциях, обеспечивает контроль точности измерений.

НКУ осуществляет с, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутников системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль за функционированием системы в целом.[2]

 

 

Сущность местонахождения

В системах спутникового позиционирования КА выполняют роль геодезических опорных пунктов. На каждый момент измерений их координаты должны быть известны. Координаты объекта находят способом засечек по измерениям с помощью аппаратуры на спутниках и на земле. Измеренные параметры определяют поверхности положение, в точке пересечения которых лежит искомый объект. В системе первого поколения ТRANSИТ на основе эффекта Доплера измеряли разности расстояний от приемника до двух положений спутника на орбите.

Поверхностями положений были Гиперболоиды вращения. В современных системах измеряют дальности до КА и скорости изменений дальности вследствие перемещений ИСЗ относительно пользователю. Измеренных скоростям соответствуют конические поверхности положения (конусы), а измеренный дальности — сферические (сферы). В геодезических целях преимущественно пользуются дальности, по которым реализуют пространственно илинийной зарубки (рис. 1).

Если с оговоренного пункта М измерить расстояния R1, R2, R3 до трех спутников 1,2,3, провести с ним как из центров радиусами R1, R2, R3 сферы, то эти сферы пересекутся в точке М и определят ее положение. Сферы пересекутся еще в одной точке — М '(на рис.1 не показана), однако точки М и М' лежат по разные стороны плоскости "123" и сделать правильный выбор нетрудно. В этом заключается геометрическая сущность задачи. Когда известны координаты спутников, задача легко решить аналитически и вычислить координаты пункта М.[2]

Рис. 5. Линейная пространственная засечка:
М - точка пересечения сфер с центрами 1,2,3 и радиусами R1, R2, R3.

 

Дальности определяют по времени распространения радиосигналов от передатчика на спутнике до приемника на Земле. Используются два метода: кодовый и фазовый. Измерения выполняются в так называемом без вопросительном режиме, когда передатчик на спутнике работает непрерывно, а спутниковый приемник включается только по мере необходимости. В без вопросительном режиме, чтобы правильно определить время распространения радиосигналов, шкалы времени на спутнике и в приемнике должны быть строго согласованы. На деле такого согласования шкал времени нет. Образно говоря, часы приемника не выверены по часам спутников. Поэтому измеряются искажения расстояния. Их называют псевдодальностями.

Псевдодальность отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную разногласия шкал времени на спутнике и в приемнике пользователя. Если отсчёты по всем каналам данного приемника, принимающего сигналы от разных спутников, производятся одновременно, то отличие псевдодальности от дальности до любого спутника, сигналы которого принимает приемник, будет одинаковым. Это отличие может быть исключено после введения его в качестве дополнительного неизвестного в уравнение местонахождения.

Поэтому, чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо измерять не в двух или трех, а к большему числу спутников с известными координатами.Кроме того, как это принято в геодезии, всегда должны быть избыточные измеренные величины. Избыточные результаты повышают качество определений, так как обеспечивают контроль и позволяют выполнять обработку по методу наименьших квадратов (МНК).[2]

 

 

Методы определения координат объекта

 

Пвевдодальномерний метод.

Сущность псевдодальномерного метода состоит в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующим расчетом координат потребителя. Для расчета трех координат потребителя псевдодальномерным методом необходимо знать расстояния между потребителем и минимум тремя навигационными спутниками. Эти расстояния измеряются между фазовыми центрами передающей антенны навигационного спутника и приемной антенны потребителя.

Измеренное расстояние между i-тым навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью к i-му спутнику. Псевдодальность, вообще говоря, также является расчетной величиной и вычисляется как произведение скорости распространения электромагнитных колебаний и времени, в течении которого сигнал спутника по трассе «спутник — потребитель» достигнет потребителя. Это время измеряется в аппаратуре.
Измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику определяется по формуле:

(1)

где PR - измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
Δti - время распространения сигнала на трассе «i-тый спутник - потребитель» на момент проведения навигационных определений, с;
с-скорость распространения электромагнитных волн в пространстве, км / с.

Уравнение (1) можно записать через координаты i-го спутника и координаты потребителя по формуле:

(2)

где PR- измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
(Xi, yi, zi) - координаты i-го спутника;
(X, y, z) - координаты потребителя.[3]

 

Дифференциальный метод.

Дифференциальный метод определения координат используется для повышения точности навигационных определений, выполняемых в аппаратуре потребителя. В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки или системы опорных точек, по которым могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.

Аппаратура, входящая в состав наземного функционального дополнения состоит из контрольно-корректирующих станций , ОВЧ канала передачи данных в соответствии с рисунком 3. Бортовой навигационный GNSS приемник и приемник ОВЧ сигналов установленные на борту подвижного объекта.

Рис. 6 Контрольно-корректирующая станция

 

Разница между расчетной и измеренной псевдодальностями является поправка псевдодальности соответствующего навигационного спутника. Учет в аппаратуре потребителя этой разницы и позволяет повысить точность навигационных определений. В практических системах потребителю передается скорость изменения поправок псевдодальностей, с применением которых производится расчет скорректированных псевдодальностей.

Для систем SBAS корректирующая информация представляет собой некоторую интегральную характеристику поправок для крупных регионов. Примерами выполнения SBAS являются: широкозона система функционального дополнения США (WAAS), аналогичная по своим функциям европейская система EGNOS, спутниковая система функционального дополнения Японии (MSAS).[3]

Рис. 7 Передача спутниковой информации

 

Заключение

На данный момент был проведен анализ существующих систем навичации, однако пока не выбраны оптимальный системы, на основе которых будут достигнуты необходимые результаты. При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2010 г.

 

 

Список использованной литературы

 

1. А. А. Сосновский, И. А. Хаймович. Радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов. Справочник. М. Транспорт. 1987 г. с. 3-5.

2. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования: Учеб. изд. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. -с. 106 с.

3. Б. К. Леонтьев GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить. Литературное агентство «БукПресс» 2006 с. 11-16.

4. GPS [Электронный ресурс]/ — Электронные данные — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/NAVSTAR GPS , свободный — Загл. с экрана.

5. Глонасс [Электронный ресурс]/ — Электронные данные — Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/Глонасс,Глонасс свободный — Загл. с экрана.

6. Galileo [Электронный ресурс]/ — Электронные данные — Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/Galileo, Galileo свободный — Загл. с экрана.

7. Навигация [Электронный ресурс]/ — Электронные данные — Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/Навигация, Навигация свободный — Загл. с экрана .

8. Кривошеев С.В. Особенности реализации интеллектуальных тренажерных комплексов на основе интегрированной навигационной системы [Электронный ресурс] / Кривошеев С.В. — Режим доступа к статье: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Pm/2008/08ksvins.pdf

9. Кривошеев С.В., Потапенко В.А. Подходы к моделированию работы интегрированных навигационных систем для судов внутреннего и смешанного плавания //Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка, вип. 6. – Донецьк: ДонДТУ. – 1999. c. 115-120.

10. Аноприенко А.Я., Кривошеєв С.В. Информационно-программное обеспечение интегрированной навигационной системы. Збірка наукових праць міжнародної наукової конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технології ISDMIT’2006». Т.3. Євпаторія, 2006 – с. 90-93.

11. Святный В.А., Кривошеев С.В. Автоматизация судовождения на основе интегрированной навигационной системы для речных судов. Збірка наукових праць міжнародної наукової конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень і проблеми обчислювального інтелекту ISDMCI’2008». Т.1 (ч.2). Євпаторія, 2008 – с. 60-63.