Интересные факты о ГЛОНАСС и GPS

Опубликовано: 4540 дней назад (17 июля 2012)

Редактировалось: 1 раз — 17 июля 2012

Настроение: Заинтересованное

Голосов: 0

В продолжение темы о навигаторах и навигационных системах американской GPS и российской ГЛОНАСС, которую начали постом Тест-драйв: GPS-навигатор против навигатора с ГЛОНАСС/GPS, я хотел бы рассказать вам о глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС).

Начнем с общих принципов.

Несколько десятков космических аппаратов (в ГЛОНАСС — 24, в GPS — 32) летают вокруг нашего шарика по имени Земля (не высоко, не низко — пониже геостационаров, повыше МКС) и непрерывно излучают сигнал. Главная деталь на этих аппаратах — высокоточные (атомные) часы. Радиосигнал представляет собой фактически сигнал точного времени, привязанный к этим часам. Кроме того, в том же сигнале передается низкоскороcтной (десятки бит в секунду) поток данных, в котором, помимо прочего, имеется информация о параметрах орбиты спутника — поэтому приемник у потребителя навигационной информации (т. е. у нас с вами) может вычислить положение спутника в любой момент времени.

Приемник получает сигналы от нескольких аппаратов и определяет, насколько они задержались друг относительно друга. Задержка зависит от расстояния до спутника. Конечно, есть различные поправки — сигнал в ионосфере и тропосфере движется чуть медленнее скорости света. Также нужно учесть, что земля продолжает вращаться, пока сигнал идет, а также принять во внимание другие поправки. После всего этого можно составить систему уравнений и решить её. Если мы принимаем 4 и более спутника, то можем определить 4 своих координаты — 3 пространственных и 1 временную.
Про точность, нужность ГЛОНАСС и ГНСС вообще, и т.д. —

От чего зависит точность решения?

В первую очередь — от количества видимых спутников и их расположения на небе. Если у нас меньше 4 аппаратов — то решения не будет вообще. Если все видимые спутники сгруппированы в одной области неба — то решение будет плохое, точка будет скакать на десятки и даже сотни метров. Так бывает, например, когда мы пытаемся поймать сигнал у окна. Оптимальная геометрия — когда спутники «растопырены», есть и зенитные, и загоризонтные. Такое бывает только в поле, в городе же дома мешают приему (через дома сигнал не «пробивает»).

Второй фактор — качество сигнала. Для того, чтобы его улучшить его — нужно использовать внешнюю антенну. Например, в автомобиле её лучше всего расположить на крыше.
Двухчастотые приемники, которые принимают оба сигнала, излучаемых спутником (в диапазонах L1 и L2) позволяют свести к нулю ошибку, вносимую ионосферной задержкой. В ширпотребной аппаратуре китайских производителей такие приемники обычно не используются, так как это сделает чип почти в два раза дороже - будьте внимательнее при покупке дешевых навигаторов.

Ну и третий фактор — точность информации, передаваемой с борта, т. е. информации об орбитах и поправках к часам спутника. Станции, входящие в наземный сегмент ГНСС, определяют с помощью радио — и лазерных измерений орбиты, а потом прогнозируют их с высокой точностью (десятки сантиметров) и закладывают из на космические аппараты, а те в свою очередь передают потребителю. Если точность этих данных низкая, то и решение будет плохим. А точно спрогнозировать орбиты не так уж и просто. Казалось бы, чего тут — задача курса школьной физики. Однако, не тут–то было. Земля — не материальная точка, её гравитационное поле «изрыто» и неоднородно, поэтому спутник летит, как будто едет по нашей ухабистой дороге, подпрыгивая и проваливаясь. Солнце, Луна и планеты тянут в совою сторону, солнечный ветер сдувает, а тут еще Землю колбасит (прецессия земной оси, вот это все). В общем, не просто. И чем больше станций есть у каждой ГНСС, тем прогноз можно получить.

Вообще, зачем нужно тратить миллиарды на ГЛОНАСС? Ведь GPS устраивает большинство из нас.

Во–первых, военные. Не могут же они использовать систему вероятного противника, в которой к тому же гражданские потребители могут быть отключены в любой момент (при сохранении работоспособности для «их» военных, и даже мощность сигнала может быть увеличена для противодействия средствам РЭБ). Для военных ГНСС — это не только и не столько средство навигации кораблей, самолетов, танков, пехоты — но в большей степени средство наведения, в том числе и для стратегических видов вооружения. Высокоточное поражение объектов на больших расстояниях невозможно без ГНСС.

Во–вторых, две системы лучше чем одна. В городах, в условиях высотной застройки каждый спутник на счету. Совместная обработка двух систем позволяет в 1.5–2 раза увеличить точность. А в некоторых случаях получить решение там, где по каждой системе в отдельности определиться невозможно.

Какие задачи сейчас решает ГНСС, кроме навигации?

В режиме пост–обработки сейчас можно получить точности лучше 1 см. Это позволяет наблюдать, например, за твердотельными приливами. Не только океаны «дышат» под действием Луны — но и земная кора «плавает» вверх–вниз на десятки сантиметров.
Таким же образом можно наблюдать и за движением континентальных плит. Мониторить здания, мосты и прочие объекты — если они начали деформироваться, значит нужно срочно осматривать их на наличие трещин, просадку фундамента и т. д.
Ну про мониторинг транспорта наверное все знают.

Геодезисты все чаще используют ГНСС. Строители, есть даже проект автоматического комбайна, который будет косить рожь, опираясь на сигналы ГЛОНАСС — а оператору нужно будет только поставить ему задачу — от сих до сих.

Что лучше — ГЛОНАСС или GPS с технической точки зрения?

У нас орбиты спутников оптимизированы для лучшей работы в высоких широтах. Но спутников меньше. Надежность наших аппаратов тоже хуже. Станций в наземном комплексе управления меньше. Таким образом, параметры системы в целом — несколько хуже, чем у GPS. Но система развивается, разрабатываются новые модификации аппаратов, планируется расширение системы, вводятся новые сигналы, создаются функциональные дополнения. В общем, все только начинается! Многие задаются вопросом — может, и нет никакого ГЛОНАСС? Деньги списали, а на орбиту не слетаешь, не проверишь. Так вот — можете быть уверены, спутники есть, и они работают.

Как повысить точность?

Можно использовать дифференциальный режим. У нас один приемник — базовый, координаты его мы знаем. Передавая с него поправки на расположенные по близости приемники, мы можем снизить ошибку.
Пост–обработка записанных «сырых» данных (дальностей до спутников) позволяет получать сантиметровые точности для неподвижных объектов и дециметровые — для подвижных.
Комплексирование с инерциальной системой навигации помогает значительно улучшить параметры обеих систем.
На автомобиле можно использовать информацию от датчиков оборотов колес — это устраняет «дрожание» трека и позволяет строит траекторию даже там, где сигналов от спутников нет — например, в туннелях.

Несколько интересных фактов.

Изначально система ГЛОНАСС называлась «УРАГАН».
Мощность сигналов ГНСС на поверхности Земли такая низкая, что шумы их значительно превосходят. Восстановить сигнал удается только с помощью цифровой обработки сигналов и статистических методов.
Аппараты ГЛОНАСС обычно выводятся по 3 штуки за запуск. Естественно, в одну орбитальную плоскость (изменение наклонения орбиты — энергетически затратный маневр). Потом они «своим ходом» летят в назначенные места на орбите и «якорятся» там. По идее, спутник при необходимости может перейти из одного «слота» в другой по команде с земли.

(с) shadowjack @ Leprosorium.ru