Самостійна робота №5 (2 год.). Перспектива розвитку засобів та систем передачі інформації, документів; локальні конторські мережі.

План:

1. Система глобального позиціонування GPS:

- визначення GPS та сфери використання даної системи;

- основні складові системи глобального позиціонування;

- принципи функціонування GPS;

- перешкоди супутникового сигналу.

Література:

1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1992.

2. Болдин В. А. Современные глобальные радионавигационные системы зарубежных стран. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1985.

3. Глобальная система определения местоположения (GPS). Теория и практика / Гофманн -Велленгоф Б., Ліхтенеггер Г., Коллінз Д. / Пер. из англ. под редакторшу Яцківа Я. З. - Киев : Наук. думка, 1995.

4. Неумывакин Ю.К., Перский М. И. Геодезическое обеспечение землеустроительных и кадастровых работ. Справочное пособие.- М. : Картгеоцентр - Геоиздат, 1996.

5. Шебшаевич В. С., Григорьев В. С., Кокина Э.Г. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы // Зарубежная радиоэлектроника - 1989.- №1.- с. 5 - 45.

6. http://www.utexas.edu/depts/grg/gcraft/notes/gps/gps.html - опис принципу роботи системи на сервері Техаського університету (США);

7. http://www.dgps.com/ - сервер з інформацією по диференціальному режиму роботи GPS.

Система глобального позиціонування gps.

Глобальна система визначення місця розташування GPS (Global Position System) забезпечує високоточне визначення координат і швидкості об'єктів в будь-якій точці земної поверхні, в будь-який час доби, а також точне визначення часу.

У 1993 р. США розгорнула програму запуску супутників для високоточної навігації військових об'єктів, яка називалась NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range), тобто "навігаційна супутникова система, що забезпечує вимір часу і місця". У Росії діє аналогічна система супутникової навігації ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), принцип роботи якої багато в чому подібний GPS.

Спочатку передбачалося використовувати систему GPS тільки в навігаційних цілях, але потім її можливості стали використовувати для:

• геодезичного застосування GPS, тобто визначення координат з міліметровою точністю;

• диспетчерські служби – забезпечення водієві пріоритетний проїзд через найскладніші ділянки доріг в межах міста. Для визначення оптимального шляху руху використовується інформація про координати і швидкість автомобіля, а також можливі альтернативні маршрути і завантаженість перехресть.

• навігація – точніше слідування заданого маршруту польоту літаком, яке забезпечувалося використанням GPS - навігацією, давало економію палива в десятки млн. USD в рік на кожен літак; також GPS – навігацією користуються морські судна.

Принцип роботи GPS. У навколоземному просторі розгорнута мережа штучних супутників Землі, що рівномірно покривають усю земну поверхню. Орбіти штучних супутників обчислюються з дуже високою точністю, тому у будь-який момент часу відомі координати кожного супутника. Радіопередавачі супутників безперервно випромінюють сигнали у напрямку Землі. Ці сигнали приймаються GPS – приймачем, що знаходиться в деякій точці земної поверхні, координати якої треба визначити. У приймачі вимірюється час поширення сигналу від супутника і обчислюється дальність (радіосигнал, як відомо, поширюється із швидкістю світла).

До складу системи входять:

• штучні супутники Землі (рис.5.1) (космічний сегмент), які складаються з 26 супутників (21 основний і 5 запасних), які обертаються на 6 орбітах. На борту кожного супутника є 4 стандарти частоти (два цезієвих і два рубідієвих - для цілей резервування), сонячні батареї, двигуни коригування орбіт, приймально - передавальна апаратура, комп'ютер.

Рис. 5.1. Штучний супутник Землі та його орбіти.

• мережа наземних станцій стеження і управління (сегмент управління). Містить головну станцію управління (авіабаза Фалькон в шт. Колорадо), п'ять станцій стеження, розташованих на американських військових базах на Гавайських островах. Збирана інформація обробляється в суперкомп'ютерах і періодично передається на супутники для коригування орбіт і оновлення навігаційного повідомлення.

• GPS – приймачі (апаратура споживачів) (рис.5.2). У апаратурі споживача прийнятий сигнал декодується. Отриманий код порівнюється з аналогічним кодом, який генерує сам GPS – приймач, що дозволяє визначити затримку поширення сигналу від супутника і таким чином визначити псевдодальність.

Рис.5.2. GPS – приймачі.

Система GPS грунтується на 5-и простих фізичних принципах. Розглянемо ці принципи:

Принцип 1: Визначення місцезнаходження по відстанях до супутників.

Робота GPS базується на визначенні місцезнаходження по відстанях від нього до супутників, з прив'язкою до реального часу. Іншими словами, координати розраховуються за допомогою виміру відстані від об'єкту до групи супутників в космічному просторі. Для визначення місця розташування об'єкту системою проводиться чотири виміри.

Принцип 2: Вимір відстані до супутника.

Система GPS визначає час проходження радіосигналу від об'єкту до супутника, після цього за допомогою цих даних розраховується відстань за формулою:

відстань = швидкість Х час руху

Радіохвилі поширюються із швидкістю світла. Якщо точно знати момент часу, в який супутник почав посилати сигнал, і момент, коли він дійшов до об'єкту, можна вирахувати час шляху. Система GPS використовує досконалий метод виміру часу, заснований на атомному еталоні частоти. Таким чином, відстань до супутника визначається методом виміру проміжку часу, який вимагається радіосигналу, щоб дійти від супутника до нас.

Принцип 3: Забезпечення досконалої часової прив'язки.

Якщо супутник і приймач мають різні шкали часу, з різницею навіть в 0,01 с, то вимір відстані буде з помилкою в 2993 км! Для того, щоб не встановлювати в приймачах дорогі часи, використовують метод виміру дальності ще до 1-го супутника. Він полягає в тому, що якщо три чіткі виміри визначають положення точки в тривимірному просторі, то чотири неточних дозволять виключити відносне зміщення шкали часу приймача. При обробці помилкових сигналів GPS, комп'ютер приймача починає віднімання (або збільшення) деякого інтервалу часу, до виміряної ним дальності. Він продовжує коригувати час в усіх вимірах до того часу, поки не відшукає рішення, яке "проводить" усі кола через одну точку.

При тривимірному визначенні місцезнаходження (при одночасному визначенні 3-х координат довготи, широти і висоти точки над прийнятим в розрахунках земним еліпсоїдом) треба виконати чотири виміри, щоб виключити погрішність тимчасової прив'язки годинника приймача до одного системного часу.

Принцип 4: Визначення положення супутника в галактичному просторі.

Орбіти руху супутників відомі завчасно, а приймачі мають "альманах", що розміщується в пам'яті їх комп'ютера, в якому вказано де знаходитиметься кожен супутник у будь-який момент часу. Щоб зробити систему GPS більш досконалою, рух супутників GPS знаходиться під незмінним контролем особливих наземних станцій стеження. Обертаючись навколо планети один раз за 12 годин, супутники GPS проходять над контрольними станціями двічі в день. Це дає можливість точно визначати їх висоту, положення і швидкість.

Після того, як станції визначили характеристики руху супутника, вони передають цю інформацію назад на супутник, далі ці поправки спільно з далекомірними кодовими сигналами безперервно передаватимуться супутником на Землю.

Таким чином, для визначення власних координат нам слід знати як відстані до супутників, так і їх місцезнаходження кожного в галактичному просторі.

Принцип 5: Іоносферні і атмосферні затримки сигналів.

Але як би досконала не була система GPS, є два джерела погрішностей: погрішності проходження радіосигналом іоносфери Землі (шару заряджених часток на висоті від 120 до 200 км) та погрішності, які виникають при проходженні сигналом атмосфери, в якій відбуваються усі погодні явища. Водяні пари в атмосфері також можуть впливати на радіосигнали. Помилки за величиною ідентичні помилкам, що викликаються іоносферою, але їх практично нереально скоректувати.

Черговий тип погрішностей це помилки багатопроменевості. Вони з'являються, коли сигнали, що передаються з супутника, багаторазово відзеркалюються від навколишніх предметів і поверхонь до того, як потрапляють в приймач.

Іоносфера і атмосфера Землі викликають затримки сигналу GPS, які можна перечитати в помилки визначення місцеположення. Деякі з цих помилок можуть бути усунені математично і методом моделювання.

На точність визначення місцеположення за допомогою сигналу GPS впливають наступні чинники (рис.5.3):

• іоносферні і тропосферні затримки – по мірі проходження атмосфери сигнал сповільнюється;

• багатопроменевий прийом – це відбувається, коли сигнал GPS відбивається від об'єктів (наприклад, високих будівель або скель) і потрапляє в GPS – приймач;

• помилка годинника приймача – це може бути причиною невеликих помилок у визначенні часу проходження сигналу;

• орбітальні помилки (відомі також як ефемеридні помилки) – відповідають за неточності в передаваному місці розташування супутників;

• число видимих супутників – чим більше супутників знаходиться в зоні прямої видимості GPS – приймача, тим вище точність. Будівлі, елементи рельєфу, а іноді і густе листя можуть перешкоджати прийому сигналів GPS, стаючи причиною виникнення помилок у визначенні місцеположення, а іноді навіть роблячи його неможливим;

• геометрія видимих супутників – визначається взаємним розташуванням супутників в кожен момент часу. Ідеальною є така геометрія супутників, коли кути між напрямами на них великі.

• навмисне зашумлення сигналу GPS. Програма Міністерства оборони США передбачала навмисне внесення помилки до сигналу GPS з метою запобігання можливому використанню цивільних GPS – приймачів у військових цілях. У травні 2000 року уряд США вимкнув цей режим, що підвищило точність цивільних GPS - приймачів з 100 до 15 метрів.

Рис. 5.3. Перешкоди супутникового сигналу.

Питання для самоперевірки:

1. Розшифруйте поняття «GPS».

2. Де може використовуватись система глобального позиціонування?

3. Назвіть складові системи GPS.

4. Охараткреизуйте принцип роботи системи GPS.

5. Скільки обертів за добу навколо Землі робить супутник?

6. Назвіть п’ять основних принципів функціонування супутникового зв’язку.

7. Які існують перешкоди на шляху супутникового сигналу?