Технологія глобальної супутникової навігації: які бувають системи, параметри та функції

У цій статті ми розповімо про глобальні системи позиціонування, розроблені у США, Росії, ЄС та Китаї; пояснимо, як підтримка технологій глобальної супутникової навігації реалізована в електронних пристроях, а також опишемо ключові та додаткові функції сучасних навігаційних приймачів.

GPS

Система GPS (Global Positioning System) створювалася для застосування у військових цілях. Вона почала працювати наприкінці 80-х — на початку 90-х років, проте до 2000 року штучні обмеження на місцезнаходження суттєво стримували її можливості використання в цивільних цілях.

• Визначення точного розташування
  
• Навігація, рух за маршрутом з прив'язкою до карти на підставі реального розташування
  
• Синхронізація часу
  

Орбіти супутників системи GPS. Приклад видимості супутників із однієї з точок на Землі. Visible sat — це кількість супутників, які видно над горизонтом спостерігача в ідеальних умовах (чисте поле).

ГЛОНАСС

Російський аналог GPS - ГЛОНАСС (глобальна навігаційна супутникова система) - була розгорнута в 1995 році, але у зв'язку з недостатнім фінансуванням і малим терміном служби супутників вона не набула широкого поширення. Другим народженням системи можна вважати 2001 рік, коли було прийнято цільову програму її розвитку, завдяки якій ГЛОНАСС відновив повноцінну роботу у 2010 році.

Сьогодні на орбіті працюють 24 супутники ГЛОНАСС, вони охоплюють навігаційним сигналом всю земну кулю.
Нові споживчі пристрої використовують GPS та ГЛОНАСС як взаємодоповнюючі системи, підключаючись до найближчих знайдених супутників, що значно збільшує швидкість та точність їхньої роботи.

Приклад: автомобільний GPS/ГЛОНАСС-навігаційно-зв'язковий пристрій на базі ОС Android, розроблений командою Promwad на замовлення російського конструкторського бюро. Реалізована підтримка GSM/GPRS/3G. з урахуванням завантаженості доріг.

Наразі на стадії розробки знаходяться ще дві супутникові системи: європейська Galileo та китайська Compass.

Galileo

Галілео - спільний проект Європейського союзу і Європейського космічного агентства, анонсований у 2002 році. вважається 2014 рік. Однак очікується, що повнофункціональне використання системи розпочнеться не раніше 2020 року.

Compass

Це наступний ступінь розвитку китайської регіональної навігаційної системи Beidou, яка була введена в експлуатацію після запуску 10 супутників наприкінці 2011 року.

Порівняння орбіт супутникових навігаційних систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo та Compass (середня навколоземна орбіта - MEO) з орбітами Міжнародної космічної станції (МКС), телескопа Хаббл та серії супутників Ірідіум (Iridium) на низькій орбіті, а також геостаціонарної орбіти.

Підтримка ДПС

• Smart Antenna - модуль, що складається з керамічної антени та навігаційного приймача. Переваги: ​​компактність, яка не вимагає узгодження, здешевлює розробку за рахунок скорочення термінів.
• MCM (Multi Chip Module) – чіп, що включає всі компоненти навігаційного приймача.
• OEM - екранована плата, що включає ВЧ інтерфейсний процесор і процесор частот основної смуги (RF-frontend + baseband), SAW-фільтри та обв'язування. Це найбільш популярне рішення зараз.

Ключові параметри навігаційних приймачів

1. Сигнали від супутників
2. Альманах - інформація про приблизні параметри орбіт всіх супутників, а також дані для калібрування годинника та характеристики іоносфери
3. Ефемериди — точні параметри орбіт і годин кожного супутника.

Виробники приймачів використовують різні методи зменшення TTFF, включаючи скачування та збереження альманаху та ефемерид бездротовими мережами передачі даних (т.зв. метод Assisted GPS або A-GPS), це швидше ніж вилучення цих даних із сигналів ГНСС.

Холодний старт визначає ситуацію, коли приймачеві необхідно отримання всієї інформації визначення місця. Це може тривати до 12 хвилин.

Теплий старт описує ситуацію, коли у приймача є майже вся необхідна інформація у пам'яті, і він визначить місце протягом хвилини.

Одним із ключових параметрів навігаційних модулів у мобільних пристроях є енергоспоживання.Залежно від режиму роботи, модуль споживає різну кількість енергії. Фаза пошуку супутників (TTFF) характеризується більшим, а стеження меншим енергоспоживанням. Також виробники реалізують різні схеми зменшення енергоспоживання, наприклад шляхом періодичного переведення модуля в режим сну.

Як правило, всі модулі видають дані за текстовим протоколом NMEA-0183, але крім зазначеного текстового протоколу кожен виробник має свій власний двійковий протокол (Binary), який дозволяє змінювати конфігурацію модуля під конкретне використання або отримати доступ до додаткового функціоналу, а також доступ до сирих вимірювань. Двійковий протокол зручний на використання на микроконтроллерах, т.к. при цьому немає необхідності виконувати перетворення з тексту на двійкові дані, тим самим заощаджуючи програмну пам'ять шляхом виключення бібліотеки роботи з рядками та часу на перетворення.

Стандарт NMEA-2000 - Це розвиток протоколу NMEA-0183. Як фізичний рівень у NMEA-2000 використовується CAN-шина, яка була обрана через більшу захищеність порівняно з RS-232. З погляду протоколу передачі NMEA-2000 істотно відрізняється від свого попередника, т.к. використовує двійковий протокол, що базується на стандарті SAE J1939.

Частота оновлення даних про місцезнаходження та швидкість всіх модулів становить 1 Гц, але при необхідності її можна підняти до 5 або 10 Гц.

Залежно від сфери застосування модуль можна налаштувати під певні динамічні характеристики, які він повинен відстежувати (наприклад, максимальне прискорення об'єкта). Це дозволяє використовувати оптимальний алгоритм та покращувати якість вимірювань.

Для виконання навігаційної задачі модуль повинен одночасно приймати сигнали від кількох супутників, тобто. мати кілька приймальних каналів. На сьогоднішній день це число лежить у діапазоні від 12 до 88.

Точність розташування за GPS становить у середньому 15 м, вона обумовлена ​​використовуваним неточним сигналом, впливом атмосфери на поширення радіосигналу, якістю кварцових генераторів у приймачах та ін. Але за допомогою коригувальних методів можна поліпшити точність позиціонування. Ця технологія називається Differential GPS. Існує два методи корекції: наземний та супутниковий DGPS.

У наземних методах корекції наземні станції диференціальних поправок постійно звіряють своє відоме місцезнаходження і сигнали від навігаційних супутників. На базі цієї інформації обчислюються коригувальні величини, які можуть бути передані за допомогою УКХ- або ДВ-передавача на мобільні DGPS-приймачі у форматі RTCM. З отриманої інформації споживач може коригувати процес визначення власного местоположения. Точність цього методу становить 1-3 метри і залежить від відстані до передавача інформації, що коректує, і якості сигналу.

Супутникові методи, такі як система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступна в Північній Америці, та система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступна в Європі, шлють коригувальні дані з геостаціонарних супутників, таким чином досягається бобільша область прийому, ніж при наземних методах.

Супутникові системи диференціальної корекції (SBAS – Space Based Augmentation Systems) дозволяють покращити точність, надійність та доступність навігаційної системи за рахунок інтеграції зовнішніх даних у процесі розрахунку

Демонстрація принципу роботи системи WAAS (Wide Area Augmentation System) на території США

Одним з основних параметрів, що впливають на точність позиціонування та стабільність прийому є чутливість. Вона, як правило, визначається якістю малошумливого підсилювача на вході приймача і складністю реалізованих алгоритмів цифрової обробки Типові значення сучасних приймачів лежать у діапазоні 143 дБм для пошуку та 160 дБм для стеження.

Крім визначення місцезнаходження ДПС надають інформацію про точний час. Як правило, всі приймачі мають вихід. PPS (pulse per second, імпульсів за секунду) — секундна мітка (1 Гц), яка точно синхронізована з часовою шкалою UTC.

Додаткові функції навігаційних пристроїв

Обчислення шляхуНа основі інформації про напрямок руху та пройдений шлях (надається додатковими датчиками) приймач може розраховувати свої координати за відсутності сигналів від супутників (наприклад, у тунелях, на підземних стоянках та у щільній міській забудові).

Деякі модулі мають можливість безпосередньо підключати флеш-пам'ять (наприклад, SPI) до модуля для запису треку c необхідною періодичністю. Ця функція дозволяє відмовитися від використання окремого мікроконтролера або вона може бути корисною для мінімізації енергоспоживання (тобто система на кристалі може перебувати в стані сну).

На цьому поверховий огляд технологій глобальної супутникової навігації завершено.Приклади реалізованих проектів на базі цих ГЛОНАСС та GPS можна переглянути на сторінці розробок компанії Promwad.

Супутникова система навігації

1 Є наземним (невід'ємним) сегментом для системи диференціальної корекції (ССДК) 2 З середини 2010-х є невід'ємною частиною ДПСС.

Історичні системи

• Transit - перша у світі супутникова навігаційна система, США, 1960-ті - 1996.
• Циклон - перша супутникова система навігації в СРСР [2] , 1976-2010.
• Цикада - низькоорбітальна "космічна навігаційна система"* (КНС) - цивільний варіант морської супутникової навігаційної системи "Циклон", аналог Transit - 1976-2008.
• Вітрило - низькоорбітальна КНС (саме з такою назвою була прийнята на озброєння 1976 р.) - серія російських (радянських) навігаційних супутників військового призначення.

Супутникові системи, що діють і створюються.

• GPS - належить міністерству оборони США [ джерело не вказано 603 дні ]. Цей факт, на думку деяких держав, є головним недоліком. Пристрої, що підтримують GPS навігацію, є найпоширенішими у світі. Також відома під більш ранньою назвою NAVSTAR.
• ГЛОНАСС - належить міністерству оборони РФ [ джерело не вказано 603 дні ]. Розробка системи офіційно розпочалася 1976 р., повне розгортання системи завершилося 1995 р. Після 1996 року супутникове угруповання скорочувалася і до 2002 року занепала. Було відновлено до кінця 2011 р. В даний час на орбіті знаходиться 26 супутників, з яких 24 використовують за призначенням [3] . До 2025 року передбачається глибока модернізація системи.
• "Бейдоу" - китайська глобальна супутникова система навігації, заснована на геостаціонарних, геосинхронних супутниках і супутниках із середніми орбітами. Реалізація програми розпочалася 1994 року. Перший супутник вийшов на орбіту 2000 року. Станом на 2015 рік система мала 4 супутників, що працюють: 2 на геостаціонарних орбітах, 3 — на геосинхронних і 4 — на середніх навколоземних. 23 червня 2020 року було запущено 15 супутник системи "Бейдоу", тим самим було завершено створення глобальної супутникової системи навігації. 31 липня 2020 року голова КНР Сі Цзіньпін заявив про початок експлуатації системи «Бейдоу» [4] .
• DORIS – французька навігаційна система. Принцип роботи системи пов'язаний із застосуванням ефекту Доплера. На відміну від інших супутникових навігаційних систем, заснована на системі стаціонарних наземних передавачів, приймачі розташовані на супутниках. Після визначення точного положення супутника система може встановити точні координати та висоту маяка на Землі. Спочатку призначалася для спостереження за океанами та дрейфом материків.
• Galileo - європейська система, що знаходиться на етапі створення супутникового угруповання. Станом на листопад 2016 року на орбіті знаходиться 16 супутників, 9 діючих та 7 тестованих. Планується повністю розгорнути супутникове угруповання до 2020 [5] .

Створювані регіональні супутникові системи

• IRNSS - індійська навігаційна супутникова система, у стані розробки. Передбачається для використання лише в Індії. Перший супутник було запущено у 2008 році. Загальна кількість супутників системи IRNSS - 7.
• QZSS - японська квазі-зенітна супутникова система (Quasi-Zenith Satellite System, QZSS) була задумана в 2002 році.як комерційна система з набором послуг для рухомого зв'язку, мовлення та широкого використання для навігації в Японії та сусідніх районах Південно-Східної Азії. Перший QZSS-супутник був запущений у 2010 році. Передбачається створення угруповання із трьох супутників, що знаходяться на геосинхронних орбітах, а також власної системи диференціальної корекції.

Окрім навігації, координати, які отримують завдяки супутниковим системам, використовуються в наступних галузях:

• Геодезія: за допомогою систем навігації визначаються точні координати точок.
• Навігація: із застосуванням систем навігації здійснюється як морська, так і дорожня навігація
• Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою систем навігації ведеться моніторинг за становищем, швидкістю автомобілів, контроль за їх рухом
• Стільниковий зв'язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися у 90-х роках. У деяких країнах (наприклад, США) це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, яка дзвонить 911. У Росії в 2010 році розпочато реалізацію аналогічного проекту - Ера-ГЛОНАСС.
• Тектоніка, тектоніка плит: за допомогою систем навігації ведуться спостереження рухів та коливань плит
• Активний відпочинок: існують різні ігри, де застосовуються системи навігації, наприклад, Геокешінг та ін.
• Геотегінг: інформація, наприклад фотографії «прив'язуються» до координат завдяки вбудованим або зовнішнім GPS-приймачам

L3 = 1207,2420 ... 1201,7430 сигнал L5 на частоті 1176,45 МГц (планується)

E5 = 1191,795 E5A = 1176,46 (L5) E5B = 1207,14 E6 = 12787,75

B2 = 1191,79 (E5) B3 = 1268,52 B1-2 = 1589,742

B1-2 = 1589,742 B1 = 1561,098 B2 = 1207,14 B3 = 1268,52

Окремі моделі супутникових приймачів дозволяють виготовляти т.д. н. "диференціальний вимір" відстаней між двома точками з великою точністю (сантиметри). Для цього вимірюється положення навігатора у двох точках із невеликим проміжком часу. При цьому, хоча кожен такий вимір має похибку, рівну 10-15 метрів без наземної системи коригування і 10-50 см з такою системою, виміряна відстань має похибку набагато меншу, оскільки фактори, що заважають виміру (похибка орбіт супутників, неоднорідність атмосфери місці Землі і т. д.) у цьому випадку взаємно віднімаються.

Крім того, є кілька систем, які надсилають споживачеві уточнюючу інформацію («диференціальну поправку до координат»), що дозволяє підвищити точність вимірювання координат приймача до 10 сантиметрів. Диференціальна поправка пересилається або з геостаціонарних супутників, або з наземних базових станцій, може бути платною (розшифрування сигналу можливе лише одним певним приймачем після оплати «підписки на послугу») або безкоштовною.

На 2009 були такі безкоштовні системи надання поправок: американська система WAAS (GPS), європейська система EGNOS (Galileo), японська система MSAS (QZSS) [6] . Вони засновані на кількох передавальних поправках геостаціонарних супутниках, що дозволяють отримати високу точність (до 30 см).

Створення системи корекції для ГЛОНАСС під назвою СДКМ завершено до 2016 року.

Суворов Є. Ф. Літопис зародження, розвитку та перших кроків реалізації ідеї вітчизняної супутникової системи. М.: Кучкове поле, 2014. - 232 с, іл. - ISBN 978-5-9950-0389-2.