Системи геопозиціонування GPS і ГЛОНАС

7.1. Супутникові системи позиціонування

Найбільш перспективним рішенням проблеми прив’язки до топогеографічних координат є застосування супутникових технологій позиціонування GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальна Навигаційна Супутникова Система), що дозволяє збирати не лише просторову інформацію в цифровому вигляді, але й пов’язанні з нею семантичні дані.

Додатково до задач збирання і и оновлення інформації,
GPS-технології вирішують ще одну важливу проблему геоінформаційної системи – створення координатної основи цифрової мапи, будь-який об’єкт якої має сповна визначені координати, “прив’язані” до жорсткої координатної основи.

7.2. Короткий опис супутникових систем позиціонування

Системи глобального супутникового позиціонування GPS розроблені в США. Аналогічна російська супутникова система має назву ГЛОНАСС.

Система GPS дозволяє визначати координати в будь-якій точці земної кулі, в будь-який час, незалежно від погодних умов. Точність визначення координат коливається (в залежності від типів і класів апаратури, а також від методики вимірювання) від 100 м до 1 мм. Основні переваги GPS-технології у порівнянні з традиційними геодезичними методами:

· не вимагається взаємної видимості між пунктами;

· працює в будь-яких погодних умовах, в будь-який час, в будь-якій точці Землі;

· має високу точність визначення координат;

· має набагато більш високу швидкодію;

· надає тримірні координати (в площині і по висоті).

На сьогодні діє вже друге покоління супутникових систем позиціонуівння (ССП). До першого покоління можна віднести системи, які були розгорнуті до 70-х років минулого сторіччя. Головними з них були NNSS (США) и ЦИКАДА (СССР). NNSS (Navy Navigation Satellite System) – система ВМФ США, пізніше отримавшая назву TRANSIT. Роботи по її створенню були почати в 1958 г., в експлуатації знаходилися з 1964 р., з 1967 р. Відкрита для цивільного застосування. К 1980 р. її послугами користувалися багато тисяч користувачів різних держав. З її допомогою в 1984-1993 рр. в Росії проводилися роботи по створенню геодезичної мережі. Розробка системи ЦИКАДА почата в 1967 р., в експлуатацію система введена в 1979 р. До першого покоління належить також міжнародна система виявлення об’эектів що терпять лихо COSPAS-SARSAT.

До другого сучасного покоління відносяться дві системи: американська GPS (паралельна назва NAVSTAR – Navigation Satellite Timing and Ranging) і російська ГЛОНАСС. Їх розробка була почата в 70-х рр. минулого сторіччя. Запуск супутників GPS першого блока початий в 1978 р. В 1983 р. система відкрита для цивільного користування. В 1991 р. зняти обмеження на продаж приймальної апаратури в Росію та страни СНГ [Серапинас, 1998].

7.3. Загальні відомості про ГЛОНАСС

Глобальна Навігаційна Супутникова Система (ГЛОНАСС) – це унікальні технології, результат багаторічної праці російських конструкторів і науковців. Вона складається з 24 супутників, які, знаходячись в заданих точках на високих орбітах, неперервно випромінюють в бік Землі спеціальні навігаційні сигнали. Будь-яка людина або транспортний засіб, яке споряджено спеціальним приладом для приймання і обробки цих сигналів, можуть з високою точністю в будь-якій точці Землі і навколоземного простору визначити власні координати і швидкість руху,, а також здійснити прив’язку до точного часу. ГЛОНАСС є державною системою, яка розроблялася як система подвійного призначення, для нужд Міністерства оборони Росії і цивільних користувачів. Обов’язки по керуванню і експлуатації системи ГЛОНАСС покладні на Міністерство оборони Російської Федерації (Космічні війська). В створення системи ГЛОНАСС брали участь:

Міністерство оборони Російської Федерації - головний замовник системи, що забезпечує контроль розробки і її подальше удосконалення, а також розгортання, підтримку і керування орбітальним групуванням ГЛОНАСС;

Науково-виробниче об’єднання прикладної механіки ім. академіка М.Ф. Решетнева (НПО ПМ) – головний розробник системи, супутника ГЛОНАСС, автоматизованої системи керування супутниками і її математичного забезпечення;

Російський науково-дослідний інститут космічного приладобудування (РНИИ КП) – головний розробник наземного комплексу керування і бортової апаратури супутника ГЛОНАСС;

Російський інститут радіонавігації і часу (РИРВ) – головний розробник супутникової і наземної апаратури системи синхронізації і часу;

Виробниче об’єднання “Політ” (ПО “Полет”) – розробник і виробник супутника ГЛОНАСС, а також ряд інших російських наукових і виробничих організацій.

Перший запуск супутника по програмі ГЛОНАСС (Космос 1413) стався 12 жовтня 1982 року. Система ГЛОНАСС була офіційно прийнята до експлуатації 24 вересня 1993 року з неповною комплектацією орбітальної структури при умові розгортання штатної орбітальної структури (24 супутника) в 1995 році.

7.4. Як працює система ГЛОНАСС?

Супутники системи ГЛОНАСС неперервно випромінюють навігаційні сигнали двох типів: навігаційний сигнал стандартної точності (СТ) в діапазоні L1 (1.6 ГГц) і навігаційний сигнал високої точності (ВТ) в діапазонах L1 і L2 (1.2 ГГц). Інформація, яка надається навігаційним сигналом СТ, доступна всім користувачам на постійній і глобальній основі та забезпечує при використанні приймачів ГЛОНАСС можливість визначення:

· горизонтальних координат з точністю 50-70 м (імовірність 99.7%);

· вертикальних координат з точністю 70 м (імовірність 99.7%);

· складових вектора швидкості з точністю 15 см/с (імовірність 99.7%);

· точного часу з точністю 0.7 мкс (імовірність 99.7%).

Ці показники точності можна значно покращити, якщо використовувати диференційний метод навігації і/або додаткові спеціальні методи вимірювання.

Сигнал ВТ призначений в основному для користувачів МО РФ, і його несанкціоноване використання не рекомендується. Питання про надання сигналу ВТ цивільним користувачам до сих пор знаходиться в стадії розгляду.

Для визначення просторових координат і точного часу необхідно прийняти та обробити навігаційні сигнали не менш ніж від 4-х супутників ГЛОНАСС. При прийманні навігаційних радіосигналів ГЛОНАСС приймач, використовуючи відомі радіотехнічні методи, вимірює дальності до видимих супутників і вимірює швидкості їхнього руху.

Одночасно з проведенням вимірювань в приймачі відбувається автоматична обробка міток часу та цифрової інформації, які містяться в кожному навігаційному радіосигналі. Цифрова інформація описує положення даного супутника в просторі і часі (ефемеріди) відносно єдиної для системи шкали часу і в геоцентричній, зв’язаній декартовій системі координат. Окрім цього, цифрова інформація описує положення інших супутників системи (альманах) у вигляді кеплерівських елементів їх орбіт і містить деякі інші параметри. Результати вимірювань і прийнята цифрова інформація є початковими даними для розв’язку навігаційної задачі по визначенню координат і параметрів руху. Навігаційна задача розв’язується автоматично в обчислювальному пристрої приймача, при цьому використовується відомий метод найменших квадратів. В результаті розв’язку визначаються три координати місцерозташування положення користувача, швидкість його руху і здійснюється прив’язка шкали часу користувача до високоточної шкали Координованого всесвітнього часу (UTC).

7.5. Склад системи ГЛОНАСС: орбітальна структура супутників ГЛОНАСС

Повна орбітальна структура системи ГЛОНАСС складається з 24 супутників, які рівномірно розміщені на трьох орбітальних площинах.

Орбітальні площини рознесені відносна одна одної на 120° за абсолютною довготою висхідного вузла. Площинам присвоєні номери 1, 2, 3 із збільшенням в напрямку обертання Землі. Номінальні значення абсолютних довгот висхідних вузлів ідеальних площин, які зафіксовані на 00 годин Московського часу 1 січня 1983 року, складає:
215° 15′ 00″ + 120° (i – 1), де i – номер площини (i = 1, 2, 3).

Номінальні відстані між сусідніми супутниками ГЛОНАСС в орбітальній площині за аргументом широти складають 45°.

Середня швидкість прецесії орбітальних площин дорівнює
– 0.00059251 рад/доба.

Супутникам 1-й площини присвоєні номери 1-8, 2-й площині – 9-16, 3-й площині – 17-24, із збільшенням проти напрямку руху супутника.

Аргументи широти супутників з номерами j = N + 8 і j = N + 16 відрізняються від аргументів широти супутників з номерами j = N і
j = N + 8 на +15° іфдповідно, (де N = 1...8) і складають на 00 годин Московського часу 1 січня 1983 року: 145° 26′ 37″ + 15° (27 – 3 j + 25 j *), де j = (1...24) – номер супутника; j* = E ((j – 1)/8) – тобто ціла частина числа
(j – 1)/8.

Іншими словами, орбітальні площини зсунуті відносно одна одної за аргументом широти на 15°.

Максимальні “уходи” супутників відносно ідеального положення в орбітальній площині не перевищують 5° за п’ятирічний період.

Інтервал повтору трас руху супутників і зон радіовидимості для наземних засобів – 17 витків (7 діб, 23 години 27 хвилин 27 секунд). Драконічний період обертання супутника ГЛОНАСС – 11 годин 15 хвилин 44 секунди. Висота орбіти – 19100 км (18840...19440 км). Нахил орбіти – 64.8 ± 0.3 град. Ексцентриситет – 0 ± 0.01.

Така конфігурація орбітальної структури дозволяє забезпечити глобальну и неперервну зону дії системи, а також оптимальну геометрію взаємного розташування супутників для підвищення точності визначення координат.

Виведення супутників ГЛОНАСС на орбіту здійснюється з космодрому Байконур за допомогою ракетоносія “Протон”, розгонного блоку 11С861-01 і СЗБ 11Ф639.М0000-0-01. Одним носієм одночасно виводяться три супутника ГЛОНАСС.

Переведення кожного супутника в задану точку орбітальної площини здійснюється за допомогою власної рухової установки.

Література

1. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. 6-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ,. 848 с. (2003).

2. R. Policar. The Wavelet Tutorial. Part I. Перевод “ Введение в вейвлет-преобразование ”. http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=1396594.

Дата добавления: 2015-11-14