Портативные преемники систем спутниковой навигации

Принцип действия GPS приемника. Основные характеристики систем GPS   и «Глонасс». Характеристики портативных навигационных приемников. 
 
Занятие №24
Принцип действия GPS приемника
Основу системы составляет сеть сеть  ИСЗ  развёрнутых в около земной орбите и равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ расчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.
 
 В GPS- приемнике измеряется время распространения сигнала от  ИСЗ  и вычисляется дальность “спутник-приемник”. Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что(радиосигнал распространяется со скоростью света). Так как для определения местоположения точки нужно знать три координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных  ИСЗ  . Очевидно, при данном методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.
 
Поэтому в состав аппаратуры  ИСЗ  и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех  ИСЗ  синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.
 
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.
 
 Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных расчётов точки нобходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени.
 
 Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. они могут одновременно принимать сигналы от 5 до 12 ИСЗ. Приём сигнала более чем от четырех спутников естественно позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
 
Основные характеристики систем GPS   и «Глонасс»
 
ГЛОНАСС
      Орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, расположенных в трех плоскостях по 8 спутников в каждой и в каждой плоскости по одному резервному спутнику, параметров орбит (Н = 19400 км, i = 64,8?, е = 0). Система ГЛОНАСС позволяет обеспечить непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения путем использования сигналов стандартной и высокой точности с вероятностью 0,95 при 18 спутниках и 0,997 при 24 спутниках в группировке. Система ГЛОНАСС отнесена к космической технике двойного назначения.
GPS
      Система GPS – глобальная навигационная спутниковая система двойного применения. Орбитальная группировка системы включает 24 навигационных спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по 4 спутника в плоскости, высота орбиты 20180 км, наклонение 550. Возможно увеличение количества спутников в каждой плоскости до 6.
 В настоящее время в составе орбитальной группировки GPS находится 30 навигационных спутников в штатном использовании.
 
Характеристики портативных навигационных приемников
 
1. Количество каналов приемника. Все современные навигаторы используют от 12 до 20 каналов для параллельной обработки навигационных сигналов и слежения за спутниками. Одновременно над горизонтом могут быть "видны" не более 12 спутников из 24-х работающих в космосе, поэтому наличие 12, 16 или 20 каналов практически не влияет на качество приема сигнала.
2. Путевые точки (Waypoint). Точки, которыми пользователь может отметить в приемнике интересные места, промежуточные точки маршрута и т.п. Описание каждой точки включает название (не более шести символов) и иконку для отображения на карте. Современные приемники поддерживают комментарии к точкам, состоящие из 24 символов и позволяющие более подробно описать каждую точку. Оптимальное количество сохраняемых путевых точек - 500 штук.
3. Треки (Track). Путь, пройденный пользователем, который всегда автоматически записывается в память приемника, конечно, если приемник включен. При переполнении памяти новые данные записываются поверх старых, то есть стирается начало пути. Количество сохраняемых точек в треке должно быть не менее 2000 штук. В современных моделях этот параметр увеличен до 10.000. Некоторые приемники позволяют настраивать частоту записи точек, выбрав один из параметров периода записи: автоматически, по времени или по расстоянию между соседними точками.
4. Возврат (TrakBack). Функция возврата по ранее пройденному треку. Удобно для возврата в исходную точку, например, в лесу или какой-либо незнакомой местности.
5. Маршрут (Route). Создаваемые пользователем маршруты с использованием путевых точек. Приемник должен поддерживать, как минимум 20 маршрутов, состоящих из 50 или более путевых точек. Современные модели приемников компании Magellan позволят конвертировать пройденный путь (трек) в готовый маршрут.
6. Потребление энергии. Чтобы избавиться от лишнего груза в виде дополнительных комплектов батарей, необходимо обратить внимание на характеристики потребления энергии. Один комплект должен обеспечивать работу устройства в течение 15-20 часов (без подсветки). При этом также важны количество и тип используемых батарей. Некоторые приемники работают от двух АА батарей дольше, чем другие от четырех.
7. Размеры и вес. Карманные размеры GPS-приемника и его небольшой вес обеспечивают удобство управления одной рукой. Но следует учитывать, что небольшие габариты устройства ограничивают размеры экрана.
8. Компьютерный интерфейс. Позволяет сохранять точки, треки, маршруты на компьютере. Можно также загружать в приемник карты, точки, маршруты, сохраненные ранее или полученные от других пользователей GPS-приемников. Большинство приемников, за исключением самых дешевых, имеют возможность соединения с компьютером через COM-порт. В новых моделях есть USB-интерфейс, который работает значительно быстрее.
9. Чувствительная GPS-антенна. Собственная GPS-антенна приемника должна обеспечивать уверенный и надежный прием навигационного сигнала даже в трудных условиях, вызванных густой листвой деревьев, высокими зданиями и т.п. По наблюдениям, характеристики антенны "штырькового" типа (квадрифилярной) лучше, чем у встроенных плоских антенн.
10. Водонепроницаемость. Для сохранения работоспособности приемника в условиях повышенной влажности или даже после погружения в воду необходим водонепроницаемый корпус. Некоторые модели приемников могут удерживаться и плавать на воде.
11. Путевой компьютер. Для представления полной картины пройденного или предстоящего пути необходим вывод статистической информации. Чем больше параметров выводится, тем лучше. При этом во многих приемниках пользователь может сам настраивать поля страниц, выбирая интересующие его данные из предложенного списка: пройденное расстояние, общее время движения, общее время стоянки, средняя и максимальные скорости, направление движения на точку, расстояние до точки, ориентировочное время прибытия в точку, угол отклонения от курса.
12. Картографические возможности. Информация о текущем местоположении в виде значений широты, долготы и отображение на карте относительно других точек не всегда понятны и удобны для навигации. Необходимо, чтобы приемник содержал электронные карты или имел возможность их загрузки. Наличие встроенной базовой карты удобно при ориентировании на незнакомой местности, для которой нет подробных загружаемых карт. Отметим, что встроенная карта России содержит крупные города и магистрали, которые отображаются с большой погрешностью. Стоит обратить внимание на формат загружаемых карт - доступен ли он для пользователей и есть ли возможность самому создавать карты из общедоступных исходных данных.
 
Дополнительные функции, которые не столь важны, но очень полезны
1. Внешняя антенна. В автомобиле или яхте под металлической крышей или даже под атермальными стеклами спутники не ловятся. Плохой прием сигнала также в лесу под кронами деревьев, особенно во время дождя. Поэтому для более уверенного приема полезно использовать внешнюю активную антенну, которая обеспечивает усиление принимаемого сигнала. Некоторые серии приемников, например, eTrex, не содержат разъемы для подключения внешней антенны.
2. Объем памяти. Рекомендуется как минимум 8 Мб памяти для загрузки электронных карт. Размеры памяти влияют на количество загружаемых карт. В зависимости от картографического продукта один регион может занимать различный объем памяти. Предпочтительной является возможность использования в приемнике съемных недорогих модулей памяти типа CF или MMC, объем которых может выбирать сам пользователь.
3. Цветной экран. Преимущество цветного экрана перед черно-белым очевидно, но недостатки все-таки имеются. Информация, отображаемая на черно-белом экране, удобна для чтения даже в условиях яркого солнечного света. Новые цветные TFT-экраны с низким энергопотреблением, используемые в новых сериях 60C/CS, 76С, Vista/Legend C, лишены этого недостатка.
4. Внешнее питание. При использовании в автомобиле GPS-приемник можно подключить к "прикуривателю" для экономии батареек.
5. USB-порт. Новый универсальный USB-порт позволяет значительно сократить время обмена данными между навигатором и компьютером, а также очень существенно повысить скорость загрузки карт.
6. Электронный компас. Определение направления движения в GPS-навигации осуществляется на основе знания местоположения двух последних точек пути. Таким образом, если произошла остановка либо движение очень медленное, то приемник не способен указывать курс на заданную точку. Плохой прием спутников, например, из-за густой листвы деревьев, может увеличивать ошибку позиционирования до 100 м, что делает невозможным поиск в непосредственной близости от точки. В таких случаях может помочь только компас. В некоторых моделях GPS-приемников реализован встроенный электронный компас, который позволяет ориентироваться даже в отсутствие навигационного сигнала.
7. Барометрический высотомер. Та категория пользователей, которой важно знать не только местоположение на плоскости, но и значения высоты, не может воспользоваться показаниями GPS-приемника ввиду его больших ошибок (десятки метров). Поэтому для этой категории можно рекомендовать модели приемников со встроенным высотомером, который служит для корректирования показаний GPS-высоты
8. Поддержка WAAS/EGNOS. Использование сигналов с орбитальных спутников WAAS (на территории Америки) или EGNOS (в Европе) позволяет повысить точность определения позиции до 1-3 м. К сожалению, такая возможность недоступна на территории России. И даже если прибор показывает, что один из спутников "в захвате", эту функцию лучше отключить, так как определение позиции может не только не улучшиться, но даже ухудшиться. Это связано с тем, что для расчета поправочных коэффициентов, передаваемых со спутников WAAS/EGNOS на землю и используемых в совместной математической обработке с GPS сигналом, необходима сеть базовых станций. На нашей территории таких станций нет, ввиду этого поправки рассчитываются на основании теоретических выкладок и математических моделей, не подкрепленных реальными данными. Поддержка этих спутниковых систем необходима только для пользователей, путешествующих по странам Европы и Америки.