Зміст

1. Вступ

2. Актуальність теми

3. Наукова значимість роботи

4. Практична цінність результатів роботи

5. Види навігаційних систем

6. Супутникові радіонавігаційні системи

7. Основні положення систем GPS і ГЛОНАСС

8. Сутність місцезнаходження

9. Методи визначення координат об'єкту

10. Висновок

11. Список літератури

 

 

Обчислення координат рухомого об'єкта

 

Вступ

 

Стрімкий розвиток технологій в останні десятиліття призвело до появи нових навігаційних систем. Протягом багатьох століть термін «навігація» означав сукупність вказаних значень. У наш час поняття навігації придбало наступний характер: «навігація» — розділ науки про способи проведення морських, повітряних суден та космічних літальних апаратів з однієї точки простору в іншу.

Це завдання вирішується методами і приладами морехідної, повітряної і космічної навігації, які дозволяють визначити місцеположення і орієнтацію рухомого об'єкта щодо прийнятої системи координат, величину і напрям швидкості руху, напрямок і відстань до місця призначення і т.д.

До завдань навігації також належить визначення оптимального маршруту руху, під яким розуміється вимога забезпечення максимальної безпеки та економічності виведення об'єкта в задану точку простору у визначений момент часу з установленою точністю.

 

 

Актуальність теми

Завдання обчислення координат рухомого об'єкта актуальна, тому що в даний час потрібна висока точність і достовірність положення об'єкта. У зв'язку з цим ведуться дослідження з поліпшення систем навігації і виведення їх на новий, більш високий рівень.

 

 

Наукова значимість роботи

Наукова значимість даної роботи полягає в розробці більш точного методу визначення коордінт з використанням декількох видів навігаційних систем.

 

 

Практична цінність результатів роботи

У ході виконання роботи після проведення моделювання з поліпшеними методами передбачається одержати більш оптимальний і достовірний метод визначення координат для рухомих об'єктів.

 

 

Види навігаційних систем

 

— Доплерівські системи навігації: відносяться до класу автономних, тобто таких систем, в яких необхідна навігаційна інформація gjcnegj за допомогою тільки бортового обладнання, без застосування будь-яких наземних засобів.

— Інерціальні навігаційні системи: це точні автоматичні пристрої, засновані на застосуванні вимірювачів прискорень (акселерометрів), стабілізаторів для утримання акселерометрів в певному положенні щодо інерційної системи координат (ІСК), лічильно-обчислювальних пристроїв для обчислення місцезнаходження рухомих об'єктів.
ІНС за способом визначення координат місцезнаходження відносяться до систем числення шляху. Вони використовуються для вирішення наступних навігаційних завдань:
— Неперервного вимірювання за допомогою акселерометрів прискорень центру мас під дією активних (негравітаційного) сил;
— Моделювання навігаційних систем координат (НСК);
— Обчислення складових швидкості шляхом одноразового інтегрування і координат місцезнаходження центру мас шляхом дворазового інтегрування вимірюваних прискорень.

— Астрономічні навігаційні системи: призначені для визначення координат об'єкту і його дійсного або ортодроміческого курсів за даними, отриманими вимірюванням положення зірок, Сонця, планет і Місяця на небосхилі.
Рішення астрономічних навігаційних завдань базується на авіаційній астрономії. Авіаційна астрономія — це наука, що вивчає теорію використання небесних світил для управління рухомих об'єктів, астрономічні кошти та практику їх застосування. Багато сучасних рухомих об'єктів обладнані складними навігаційними комплексами, де поряд з іншими приладами та пристроями широко застосовуються астрономічні кошти.

—Радіонавігаційні системи

— радіонавігаційні системи дальньої навігації: позиційні системи визначення місця розташування рухливих об'єктів (споживачів навігаційної інформації), дальність дії яких не обмежена дальністю прямої видимості і становить тисячі кілометрів. Несучі частоти сигналів РСДН лежать у межах 10 ... 100 кГц. Всі РСДН представляють собою пасивні багатопозиційні системи, основу яких складає мережа опорних передавальних радіостанцій, які розміщуються у точках з відомими координатами (радіонавігаційні точки РНТ).

— радіосистеми ближньої навігації: кутомірної-дальномірні і дальномірні позиційні системи визначення місця розташування рухомого об'єкта в межах дальності прямої видимості. Основу РСБН складає мережа наземних далекомірних і кутомірних радіомаяків, що розміщуються в РНТ.

— cупутникові радіонавігаційні системи: засновані на використанні координованої по руху і випромінювання сигналів мережі навігаційних штучних супутників Землі (НІСЗ). Супутникові РНС забезпечують безперервний і практично миттєве визначення місця розташування і швидкості споживача в переважній більшості районів земної кулі (глобальні системи) з точністю, на порядок перевищує точність РСДН. Для роботи СРНС виділені частоти в діапазоні дециметрових хвиль, близькі до оптимальних з точки зору мінімального поглинання сигналу при розповсюдженні і розмірів антен, використовуваних для передачі і прийому. Опції опорних станцій в СРНС виконують НІСЗ.
Можливі як активні з активним відповіддю, так і пасивні СРНС. Більшість СРНС представляють собою багатопозиційні пасивні системи, які мають необмежену пропускну здатність.

 

Через низку переваг супутникові радіонавігаційні системи отримали велике застосування в багатьох галузях науки і техніки.

 

 

Супутникові радіонавігаційні системи

В даний час працюють або готуються до розгортання наступні системи супутникової навігації:

 

— NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System (читається Джі Пі Ес) — забезпечують вимір часу і відстані навігаційні супутники; глобальна система позиціонування) — супутникова система навігації, часто іменована GPS. Дозволяє в будь-якому місці Землі (включаючи приполярні області), майже при будь-якої погоди, а також в космічному просторі поблизу планети визначити місцеположення і швидкість об'єктів. Система розроблена, реалізована і експлуатується Міністерством оборони США.

 

Рис. 1. Супутник GPS

Основний принцип використання системи — визначення місця розташування шляхом вимірювання відстаней до об'єкту від точок з відомими координатами — супутників. Відстань обчислюється за часом затримки розповсюдження сигналу від посилки його супутником до прийому антеною GPS-приймача. Тобто, для визначення тривимірних координат GPS-приймачу потрібно знати відстань до трьох супутників і час GPS системи. Таким чином, для визначення координат і висоти приймача, використовуються сигнали як мінімум з чотирьох супутників.

- Глобальна навігаційна супутникова система (ГЛОНАСС) — радянська і російська супутникова система навігації, розроблена на замовлення Міністерства оборони СРСР. Основою системи повинні бути 24 супутники, що рухаються над поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах з нахилом орбітальних площин 64,8 ° і заввишки 19 100 км. Принцип вимірювання аналогічний американській системі навігації NAVSTAR GPS.

Рис. 2. Супутник ГЛОНАСС

 

—Галілео (Galileo) — спільний проект супутникової системи навігації Європейського союзу і Європейського космічного агентства, є частиною транспортного проекту транс'європейські мережі (англ. Trans-European Networks). Система призначена для вирішення навігаційних завдань для будь-яких рухомих об'єктів з точністю менше одного метра.

Рис. 3. Супутник Galileo

Нині існуючі GPS-приймачі не зможуть приймати і обробляти сигнали з супутників Галілео, хоча досягнута домовленість про сумісність і взаємодоповненню з системою NAVSTAR GPS третього покоління.

—IRNSS (англ. Indian Regional Navigation Satellite System) — індійська регіональна навігаційна супутникова система, проект якої був остаточно прийнятий до реалізації урядом Індії. Бюджет проекту склав більше 300 мільйонів доларів. IRNSS буде забезпечувати лише регіональне покриття самої Індії і частин суміжних держав. Загальна кількість супутників системи IRNSS: 7.
Проектна дата завершення робіт: 2011 рік. Поточний стан: перший супутник був запущений в 2008 році.

 

— Бейдоу (кит. 北斗 běidǒu, буквально — Північний Ківш, китайське назва сузір'я Великої Ведмедиці, скорочено — BD) — супутникова система навігації, створена Китаєм. На січень 2010 включала в себе 3 супутника, розташованих на геостаціонарній орбіті і забезпечувала визначення географічних координат в Китаї і на сусідніх територіях. Планується що система запрацює на повну потужність до 2020 року.

 

В даний час широко використовуються 2 системи: GPS і ГЛОНАСС.

 

Основні положення систем GPS і ГЛОНАС

GPS — Global Posіtіonіng System. Паралельна назва NAVSTAR — Navіgatіon Satellіte Тіmіng and Rangіng. Розробки концепції початі в 1973 р. Запуск супутників першого блоку початий в 1978 р. В 1983 р. заговорили про цивільне застосування. Эксплутационная готовність оголошена на початку 1995 р.
ГЛОНАСС — Глобальна Навігаційна Супутникова Система. Розробки початі в середині 70-х років. В 1982 р. виведені перші її супутники серії космос . У вересні 1993 р. офіційно прийнята в експлуатацію МО РФ. У березні 1995 р. уряд РФ спеціальною постановою за N237 відкрила систему для цивільного застосування й міжнародного співробітництва. У січні 1996 р. ГЛОНАСС розгорнута повністю. В 1999 р. розпорядженням Президента РФ віднесена до космічної техніки подвійного призначення, застосовуваної в інтересах безпеки РФ й у цивільних цілях. Уже працюють прийомні пристрої, що одночасно використають й GPS і ГЛОНАСС.

Рис. 4 Сузір'я супутників

Підсистеми супутникових систем. Виділяють три головні підсистеми (сегменти, сектори): наземного контролю й керування (НКУ), сузір'я супутників (космічних апаратів - КА), апаратури користувачів (АП). Підсистема НКУ складається зі станцій спостереження за КА, служби точного часу, головної станції з обчислювальним центром і станцій завантаження даних на борт КА. Cупутники GPS проходять над контрольними пунктами двічі в добу. Зібрана інформація про орбіти обробляється й прогнозуються координати супутників (ефемериди). Ці й інші дані з наземних станцій завантажуються на борт кожного КА. GPS управляють головна станція на базі ВВС Колорадо-Спрингс і наземні станції в Колорадоспрингс, на острові Піднесення, острові Диего-гарсия, атолі Кваджалейн, Гавайських островах й ін. (Shank, L.avгakas, 1994). Для уточнення ефемерид використаються результати вимірів на пyнктах міжнародних глобальних мереж, наприклад, таких, як CІGNEТ й ІGS.

Підсистема КА складається з 24 основних й 3 резервних супутників (планується збільшити ще на 18 супутників). Кожен супутник має по кілька атомних еталонів частоти й часу, апаратури для прийому й передачі радіосигналів, бортові комп'ютерні апаратури. Розміри супутників з урахуванням панелей  сонячних батарей більше 5 м. Вага супутника — 1 т. Розрахунковий час існування на орбіті 7-8 років. КА зберігає  стабільним задане положення на орбіті, приймає й зберігає інформацію з наземних станцій, а також безупинно передає в апаратури користувачів вимірювальні радіосигнали, дані про точний час, свої координати й інші відомості.

У  ГЛОНАСС також 24 основних й 3 резервних супутника. Маса апарата —1,5 т, його довжина близько 8 м, строк активного існування КА 3-5 років. Запуск супутників іде з космодрому Байконур. НКУ включає З керування системою під Москвою (ЦУС), центральний синхронізатор (ЦС) з високоточним водневим стандартом частоти й часу для синхронізації системи, мережа на території РФ контрольних станцій (КС) — здійснюють сеанси траекторных і тимчасових вимірів, збирають телеметричну інформацію про стан бортових систем, забезпечують закладку на супутники 1 або 2 рази в добу високоточних ефемерид і тимчасових виправлень; система контролю фаз (СКФ) для синхронізації фаз сигналів, випромінюваних всіма супутниками, і визначення зрушень бортових шкал часу; кванто-оптичні станції (КОС) для періодичної юстировки радіотехнічних каналів виміру дальностей; апаратури контролю поля (АКП) — являє собою апаратури користувачів, установлену на контрольних станціях, забезпечує контроль точності вимірів. НКУ здійснює з, нагромадження й обробку траекторной і телеметричної інформації про всіх супутників системи, формування й видачу на кожен супутник команд керування й навігаційної інформації, а також контроль за  функціонуванням системи в цілому.

 

 

Сутність місцезнаходження

У системах супутникового позиціювання КА виконують роль геодезичних опорних пунктів. На кожен момент вимірів їхні координати повинні бути відомі. Координати об'єкта знаходять способом зарубок по вимірах за допомогою апаратури на супутниках і на землі. Обмірювані параметри визначають поверхні положення, у крапці перетинання яких лежить шуканий об'єкт. У системі першого покоління ТRANSІТ на основі ефекту Доплера вимірювали різниці відстаней від приймача до двох положень супутника на орбіті. Поверхнями положень були гіперболоїди обертання. У сучасних системах вимірюють дальності до КА й швидкості змін дальностей внаслідок переміщень ИСЗ відносно користовача.

Обмірюваним швидкостям відповідають конічні поверхні положення (конуси), а обмірюваним дальностям — сферичні (сфери). У геодезичних цілях переважно користуються дальностями, по яких реалізують просторов ілінійні зарубки (мал. 1). Якщо з обумовленого пункту М виміряти відстані R1, R2, R3 до трьох  супутників 1,2,3, провести з них як із центрів радіусами R1, R2, R3 сфери, то ці сфери перетнуться в крапці М и визначать її положення. Сфери перетнуться ще в одній крапці - М' (на мал. 1 не показана), однак крапки М и М' лежать по різні сторони площини "123" і зробити правильний вибір неважко.

У цьому полягає геометрична сутність завдання. Коли відомі координати супутників, завдання легко вирішити аналітично й обчислити координати пункту М.

Рис. 5. Лінійна просторова засічка:
М - крапка перетинання сфер із центрами 1,2,3 і радіусами R1, R2, R3.

Дальності визначають за часом поширення радіохвилі від передавача на супутнику до приймача на Землі. Використаються два методи: кодовий і фазовий. Виміри виконуються в так називаному  беззапитальному режимі, коли передавач на супутнику працює безупинно, а супутниковий приймач включається тільки в міру потреби. У беззапитальному режимі, щоб правильно визначити час поширення радіохвилі, шкали часу на супутнику й у приймачі повинні бути строго погоджені. На ділі такого узгодження шкал часу немає. Образно говорячи, годинники приймача не вивірені по годинниках супутників. Тому виміряються перекручені відстані. Їх називають псевдодальностями.

Псевдодальність відрізняється від щирої дальності на величину, пропорційну розбіжності шкал часу на супутнику й у приймачі користувача. Якщо відсчоти по всіх каналах даного приймача, що приймає сигнали від різних супутників, виробляються одночасно, то відмінність псевдодальности від дальності до будь-якого супутника, сигнали якого приймає приймач, буде однаковим. Ця відмінність може бути виключене після введення його в якості додаткового невідомого в рівняння местоопределения.

Тому, щоб правильно обчислити координати пункту по псевдодальностям, треба  вимірювати не до двох або трьох, а до більшого числа супутників з відомими координатами. Крім того, як це прийнято в геодезії, завжди повинні бути  надлишові обмірювані величини. Надлишкові результати підвищують якість визначень, тому що забезпечують контроль і дозволяють виконувати обробку по методу найменших квадратів (МНК).

 

 

Методи визначення координат об'єкту

 

Пвевдодальномiрній метод.

Сутність псевдодальномірного методу полягає у визначенні відстаней між навігаційними супутниками і споживачем і наступним розрахунком координат споживача. Для розрахунку трьох координат споживача псевдодальномірним методом необхідно знати відстані між споживачем і мінімум трьома навігаційними супутниками. Ці відстані виміряються між фазовими центрами передавальної антени навігаційного супутника і прийомної антени споживача.

Обмірювана відстань між i-тим навігаційним супутником і споживачем називається псевдодальністю до i-го супутника. Псевдодальність, узагалі говорячи, також є розрахунковою величиною й обчислюється  як добуток  швидкості  поширення електромагнітних коливань і часу, у плині якого сигнал супутника по трасі « супутник — споживач» досягне споживача. Цей час виміряється в апаратурі.
Обмірювана псевдодальність до i-го навігаційного супутника визначається за формулою:

(1)

де PR - обмірювана псевдодальність до i-го навігаційного супутника, км;
Δti – час поширення сигналу на трасі «i-тий супутник — споживач» на момент проведення навігаційних визначень, с;
с– швидкість поширення електромагнітних хвиль у просторі, км/с.

 

Рівняння (1) можна записати через координати i-го супутника  і  координати споживача  за формулою:

(2)

де PR - обмірювана псевдодальність до i-го навігаційного супутника, км;
(xi ,yi, zi) - координати i-го супутника;
(x, y, z) - координати споживача.

 

Диференційний метод.

Диференційний метод визначення координат використовується для підвищення точності навігаційних визначень, виконуваних в апаратурі споживача. В основі диференційного методу лежить знання координат опорної крапки чи системи опорних крапок, щодо яких можуть бути обчислені виправлення до визначення псевдодальностей  навігаційних супутників. Якщо ці виправлення врахувати в апаратурі споживача, то точність розрахунку, зокрема, координат може бути підвищена в десятки разів.

Апаратура, яка входить до складу наземного функціонального доповнення  складається  із  контрольно-коригувальних станцій (ККС), ОВЧ каналу передачі даних у відповідності із рисунком 3. Бортовий навігаційний GNSS приймач і приймач ОВЧ сигналів установлені на борті рухливого об’єкта.

Рис. 6 Контрольно-коригуюча станція

Різниця між розрахунковою й обмірюваною псевдодальностями є поправка  псевдодальності до відповідного навігаційного супутника. Облік в апаратурі споживача цієї різниці і дозволяє підвищити точність навігаційних визначень.  У практичних системах споживачу передається швидкість зміни поправок псевдодальностей, із застосуванням яких виробляється розрахунок скоректованих псевдодальностей.

Для систем типу SBAS, яка збудована у відповідності із рисунком 2.1, коригувальна інформація являє собою деяку інтегральну характеристику поправок для великих регіонів. Прикладами виконання SBAS є: широкозона система функціонального доповнення США (WAAS), аналогічна за своїми функціями європейська система EGNOS, супутникова система функціонального доповнення Японії (MSAS).

 

Рис. 7 Передача супутникової інформації

 

Висновок

На даний момент був проведений аналіз існуючих систем навічаціі, проте поки не вибрані оптимальний системи, на основі яких будуть досягнуті необхідні результати. При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2010.

 

 

 

Список літератури

 

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. - c. 106.

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.