Пятница, 03:50 
Главная » »
Главная » Файлы » Экспресс-конкурсы на 2017-2018 уч.г » Всероссйиский конкурс "Мой лучший урок"

Статья по теме: «Основные спутниковые навигационные технологии и возможность их применения в системе автомобильного транспорта»
05.12.2014, 11:41

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

КЕМЕРОВСКИЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

 

 

 

 

 

Статья по теме:

«Основные спутниковые навигационные технологии и возможность их применения в системе автомобильного транспорта»

 

 

 

 

 

 

Подготовила

преподаватель

Сидорова Светлана Николаевна

 

 

 

 

 

 

Кемерово 2014

 

Навигационные системы

Одним из актуальных способов управлением автомобильным транспортом является внедрение системы диспетчерского управления и контроля транспортных средств- Automatic Vehicle Location(AVL) [4].

Данные диспетчерской системы предназначены для обеспечения оперативного контроля и управлением транспортным парком предприятия или компании, а также для решения вопросов безопасности при перевозки особо опасных грузов, ценностей, пассажиров и так далее. Актуальность диспетчерских систем подтверждается ростом количества компаний торгующих и внедряющих данные системы.

Внедрение AVL- системы снижает потери, связанные с вынужденными простоями техники, позволяет более организовано подходить к проведению плановых ремонтов и технического обслуживания транспортных средств, в зависимости от реального пробега, увеличивает дисциплинированность и ответственность персонала за конечный результат, обеспечивает объективную оценку трудовых затрат каждого сотрудника.

Возможность создания систем такого назначения появилась в связи с бурным развитием геоинформационных технологий (ГИС), компьютерной техники микроэлектроники, а также спутниковой навигации. В мире сейчас работает две системы спутниковой навигации - GPS, принадлежащая Министерству обороны США и ГЛОНАСС, принадлежащая Министерству обороны РФ.

 

Спутниковая навигационная система Сlobal Positioning System

С1оЬа1 Positioning System- это спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 27 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 20000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся, со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24- часа [4].

Спутниковая система GPS известна также под другим названием -NAVSTAR. Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 году. Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.

Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Даже на полюсах можно "увидеть" спутники - правда, они не будут пролетать прямо над головой. Это, конечно, повлияет на геометрию и, следовательно, на точность - но лишь немного.

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей используется навигация, GPS-приемник готов показать местоположение - и именно тогда, когда это надо.

GPS-спутник передает следующую информацию:

а) Состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущую дату и время. Без этого GPS - приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Помимо этого эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения;

б) Где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает информацию, содержащую параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Вкратце картина того, как работает GPS, выглядит следующим образом - каждый спутник передает сигнал, который, образно говоря, означает следующее: "Я - спутник №Х, сейчас мое положение V, это сообщение было послано во время Z".

GPS-приемник получает это сообщение и запоминает для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника. Итак, для определения местоположения GPS -приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно определить свое местоположение. Это в точности то, что делает GPS -приемник. Имея сигналы, минимум от трех спутников, он может определить широту и долготу - это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS - приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, то есть указать широту, долготу и высоту.

Постоянно отслеживая местоположение наземного объекта в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление движения объекта.

Одним из факторов, влияющих на точность, является геометрия спутников. Понятие "геометрия спутников" означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS -приемника. Если, например, приемник "видит" четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение, потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно. В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 - 150 м).

Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Предположим, что они расположены равномерно по сторонам горизонта - на севере, востоке, юге и западе. Тогда, очевидно, геометрия будет очень хорошей и можно быть уверенным в правильности рассчитанного местоположения.

Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS-приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких карьерах. Если сигналы от некоторых спутников оказываются, экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся "видимыми" спутников (а от их количества - возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение.

Другим источником ошибок является отражение спутникового сигнала от различных объектов. Отражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны.

Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие отражения, если происходят, то могут добавить около 5 м в общую ошибку.

Существуют и другие источники погрешностей. Например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных феноменов. Или ошибка хода часов приемника. Однако GPS - приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать их, и они справляются с этой задачей вполне успешно. Однако, небольшие искажения все же возможны.

Для повышения точности GPS используется специальная дифференциальная методика –DGPS. Суть ее состоит в размещении одного приемника GPS, называемого базовой станцией, на точке с известными координатами и использовании его для передачи поправок на подвижные приемники либо на диспетчерский пост по каналу радиосвязи в УКВ диапазоне.

Полученная дифференциальная точность ОРS колеблется в диапазоне от 5 до 0,5 метров в зависимости от типа приемника и расстояния между базовой станцией и подвижными приемниками.

Одним из негативных факторов, который нельзя не учитывать, говоря о возможности применения GPS на территории России, является то что, данная система создана по заказу и принадлежит Министерству обороны США. Таким образом, возникает угроза национальной безопасности страны, так как имеется возможность точной привязки к местности.

 

 

Отечественная навигационная система ГЛОНАСС.

 

 Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей [1].

 

История развития ГЛОНАСС

Развитие отечественной навигационной спутниковой системы, как принято считать, началось с запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли. Использовать спутники для навигации в 1957 году впервые предложил проф. В.С. Шебшаевич. Эта возможность была открыта им при исследовании приложений радиоастрономических методов в пилотировании самолетов. После этого в целом ряде советских институтов были проведены исследования, посвященные вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий. Все они были использованы в 1963 году во время проведения опытно-конструкторских работ по созданию первой отечественной низкоорбитальной системы «Цикада». 27 ноября 1967 года на орбиту был выведен первый навигационный отечественный спутник «Космос-192» (КА «Циклон»). Он обеспечивал непрерывное излучение радионавигационного сигнала на частотах 150 и 400 МГц в течение всего времени активного существования.  Система «Цикада» была сдана в эксплуатацию в составе четырех спутников в 1979 году. Навигационные спутники были выведены на круговые орбиты высотой 1000 км, с наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей вдоль экватора. Система позволяла потребителю в среднем через каждые 1,5–2 часа входить в радиоконтакт с одним из спутников и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5-6 минут. Навигационная система «Цикада» использовала беззапросные измерения дальности от потребителя до навигационных спутников. Наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной навигационной аппаратуры серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

В дальнейшем спутники системы «Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями. Эти сигналы принимаются спутниками системы «Цикада» и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.). Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники «Цикада» образуют системы «Коспас». Совместно с американо-франко-канадской системой «Сарсат» они входят в единую службу поиска и спасения.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей. Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная навигационная спутниковая система второго поколения должна была обеспечить потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время.

Была выбрана структура спутниковой системы: высота орбиты навигационных спутников составила 20 тыс. км, их общее количество – 24 аппарата. Были решены две проблемы создания высокоорбитальной навигационной системы. Первая проблема - взаимная синхронизация спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд). Эта проблема была решена с помощью установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1*10-13 и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 1* 10-14, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3-5 нс. Второй проблемой было высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников. Ее решили, учитывая факторы второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключая действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных не герметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника «Космос-1413». Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 году. В 1995-м развернута орбитальная группировка полного состава (24 спутника) и начата штатная эксплуатация. Система позволяет обеспечить непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения.

Сокращение финансирования космической отрасли в 1990-х годах привело к деградации орбитальной группировки ГЛОНАСС, снижению ее выходного эффекта. В 2001 году в целях сохранения и развития системы Президентом и Правительством РФ утвержден ряд директивных документов, основным из которых является федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система».

 

Состав системы ГЛОНАСС

Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем:

​ подсистемы космических аппаратов (ПКА);

​ подсистемы контроля и управления (ПКУ);

​ навигационной аппаратуры потребителей (НАП) [1].

Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в плоскостях положение спутников сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем. Как правило, требуется, чтобы в зоне видимости потребителя находились не менее 3-5 навигационных космических аппаратов (НКА). Кроме действующих НКА, на орбите находятся резервные спутники, которые могут быть оперативно введены для замены вышедших из строя.

Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления собственных координат, скорости и времени.

Принцип работы ГЛОНАСС

​ 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 [4]:

​ горизонтальных координат;

​ вертикальных координат;

​ составляющих вектора скорости;

​ точного времени.

Точности определения можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. 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 Универсального координированного времени (UTC).

 

Запуски

​ 25 декабря 2005 с космодрома «Байконур» на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» были запущены один спутник «ГЛОНАСС» и два спутника «ГЛОНАСС-М» с увеличенным ресурсом эксплуатации

26 декабря 2006 состоялся вывод на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» трех спутников«ГЛОНАСС-М»

26 октября 2007 ракета-носитель «Протон-К» стартовала с «Байконура» и вывела на околоземную орбиту три модифицированных спутника «ГЛОНАСС-М»

25 декабря 2007 с космодрома «Байконур» стартовала ракета-носитель «Протон-М» и вывела на орбиту три спутника «ГЛОНАСС-М». Одновременно 4 спутника, запущенные в 2001-2003 годах, были выведены из группировки

25 сентября 2008 запуск ракеты-носителя «Протон» с тремя спутниками «ГЛОНАСС-М», 1 спутник, запущенный ранее - на этапе вывода из состава ОГ

25 декабря 2008 после успешного пуска с космодрома «Байконур» ракеты-носителя «Протон-М» 3 космических аппарата «ГЛОНАСС-М» успешно отделились от разгонного блока и начали автономный полет

14 декабря 2009 с космодрома «Байконур» состоялся запуск трех космических аппаратов «ГЛОНАСС-М». Три навигационных космических аппарата «ГЛОНАСС-М» (№30, 33, 34) выведены на круговую орбиту высотой 19140 км ракетой-носителем «Протон-М» с разгонным блоком «ДМ»

2 марта 2010 ракета-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «ДМ-2» и тремя спутниками«ГЛОНАСС-М» стартовала с космодрома Байконур в 00:20 по московскому времени.

2 сентября 2010 со стартового комплекса космодрома Байконур осуществлен успешный пуск ракеты космического назначения тяжелого класса «Протон-М» с разгонным блоком «ДМ-2» и тремя космическими аппаратами «ГЛОНАСС-М»

5 декабря 2010 года с космодрома Байконур состоялся запуск ракеты-носителя «Протон-М» с тремя навигационными космическими аппаратами «ГЛОНАСС-М». Ракета отклонилась от курса и не смогла вывести спутники на расчетную орбиту

3 октября 2011 года произведен запуск КА «Глонасс-М» при помощи РН «Союз-2-1Б»

4 ноября 2011 года запущены три КА серии «Глонасс-М» РН «Протон-М»

26 апреля 2013 года запущен КА серии «Глонасс-М» РН «Союз-2-1Б»

02 июля 2013 года произведен аварийный запуск трех КА серии «Глонасс-М» РН «Протон-М»

24 марта 2014 года произведен запуск КА «Глонасс-М» при помощи РН «Союз-2-1Б» [4].

 

Применение ГЛОНАСС

Основные направления применения ГЛОНАСС на транспорте [2]:

1) сухопутная навигация

2) автомобильный и железнодорожный транспорт

3) морская навигация

4) аэронавигация

5) навигация в космосе

По мере совершенствования глобальных навигационных спутниковых систем появляются новые области их применения, которые, в свою очередь, требуют дальнейшего повышения точности, доступности, оперативности и надежности навигационных услуг:

Военная область - обеспечение применения специальных средств в широком диапазоне скоростей и динамических нагрузок, реализация координатных методов управления в условиях радиопротиводействия, ограничений по радиовидимости;

Гражданская область - организация дорожного движения, в том числе:

по платным дорогам, оплата парковок, анализ дорожно-транспортных происшествий, определение страховых случаев, организация автоматического управления дорожной, строительной и сельскохозяйственной техникой, контроль «деформации» инженерных сооружений, синхронизация систем связи, банковских систем осуществления транзакций, энергетических систем, систем транспортировки нефти и газа, высокоточный мониторинг движения земной поверхности, фундаментальные научные исследования и многое другое.

 

ГЛОНАСС сегодня

26 февраля 2011 года осуществлен запуск первого спутника третьего поколения «ГЛОНАСС-К» с улучшенными точностными характеристиками и временем активного существования - 10 лет.

3 октября на орбиту был выведен космический аппарат «ГЛОНАСС-М». Развертывание орбитальной группировки системы глобального позиционирования ГЛОНАСС завершено.

Спутники «ГЛОНАСС-М» в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года. На текущий момент орбитальная группировка состоит из 29 КА из которых:

- 24 КА используются по целевому назначению

- 3 КА находятся в орбитальном резерве

- 1 КА находится на этапе лётных испытаний

- 1 КА находится на этапе ввода в систему

С 1 января 2006 г. все вновь вводимые в эксплуатацию транспортные средства, включая самолеты, суда, наземный транспорт, геодезическое оборудование и космические аппараты, — должны в обязательном порядке оснащаться аппаратурой спутниковой навигации отечественной системы ГЛОНАСС или комбинированными приемниками ГЛОНАСС/ GPS. Согласно Постановлению Правительства РФ от 9 июня 2005 г. Приемниками ГЛОНАСС должны быть оборудованы находящиеся в эксплуатации транспортные средства. По мнению представителей «Роскосмоса», эти меры являются разумными и призваны защитить отечественный рынок пользовательской аппаратуры глобальной спутниковой навигации. С другой стороны, эти системы направлены на решение задач национальной безопасности, поскольку глобальная спутниковая навигационная система играет важнейшую роль в обеспечении применения высокоточного оружия дальнего радиуса действия.

 

Общие принципы функционирования диспетчерских систем

Диспетчерская система функционирует следующим образом: на транспортные средства устанавливается бортовой комплект, с помощью которого осуществляется определение текущих координат, скорости, курса, сбор информации о состоянии датчиков. Все это обрабатывается специальным образом и затем передается в диспетчерский центр, который представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для решения задач контроля, управления и анализа. Для обеспечения высокой надежности в качестве операционных систем применяются UNIX или WindowsНа диспетчерском центре принятая информация помещается в базу данных, а также отображается на электронной карте местности. Таким образом, оператор диспетчерского центра имеет возможность визуально контролировать местонахождение подчиненных транспортных средств, их состояние (по информации датчиков), а информация базы данных используется для анализа и генерации необходимых документов. Системы диспетчерского управления и контроля могут различаться по методам определения координат объектов, способам обмена информацией между диспетчерским центром и объектами контроля, логикой построения самого диспетчерского центра и другим параметрам. Однако наиболее удобно классифицировать такие системы по зоне предполагаемой работы, то есть по максимальному расстоянию между диспетчерским центром и объектом. По такому признаку диспетчерские системы можно условно разделить на: Системы глобального покрытия - "дальние системы"; Системы локального покрытия - "ближние системы"[2].

Такие системы называются On-line системы GPRS-мониторинга или "чёрные ящики с режимом реального времени". Данный тип систем характеризуется тем, что навигационная и телеметрическая информация накапливается во внутренних или съемных модулях памяти бортовых контроллеров. Во время движения автомобиля, где бы он ни находился - накопленная информация может быть получена для последующего анализа, обработки и отображения на диспетчерском путаете посредством различных каналов связи.

 

Далее смотреть архив

Категория: Всероссйиский конкурс "Мой лучший урок" | Добавил: Администратор
Просмотров: 505 | Загрузок: 0 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Заказ документов
Copyright 2010 © БОЛЬШАЯ ПЕРЕМЕНА