Принцип работы глонасс: Спутниковая система ГЛОНАСС. История и принцип работы

Спутниковая навигация : основные принципы работы.. Проблемы и методы их решения

Спутниковая навигация : основные принципы роботы.

Приборы спутниковой навигации тесно вошли в нашу жизнь. Мониторинг транспортных средств, навигация морских судов и самолетов, персональная навигация — неполный перечень сфер, в которых используется спутниковая навигация. Но далеко не каждый понимает принцип работы спутниковой навигации, знает ее разновидности и составляющие.   Рассмотрим подробнее:

Спутниковая система навигации (GNSS — Global Navigation Satellite System) — система наземного и космического оборудования, предназначенная для позиционирования в пространстве и времени, а также для определения скорости, направления и других параметров движения объекта. 

                                                             

Общие элементы спутниковой системы навигации:

• Орбитальная группа —

Система космических аппаратов в виде сети навигационных спутников

• Наземная система управления и контроля —

Блоки измерения положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации про орбиты

• Приемное оборудование —

«Спутниковые навигаторы», используемые для определения местонахождения

• Опционально-информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, что позволяет значительно повысить точность определения координат.  

                                                    

Принцип действия спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны приемника на объекте до навигационных спутников, местонахождение которых известно с большой точностью. Таблица положений спутников ( «альманах») есть в каждом приемнике спутникового сигнала до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего включения. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников систем, с помощью обычных геометрических построений на основе альманаха рассчитывается положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определении скорости распространения радиоволн. Для реализации возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приеме сигналов спутников исчисляется задержка между временем излучения, что содержится в самом сигнале, и временем приема сигнала антенной приемника. Имея данную информацию, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Остальные параметры движения (скорость, направление, пройденное расстояние) вычисляется на основе измерения времени, объект потратил на перемещение между двумя или более точками с координатами, определенными по предварительным вычислениям.

Самые известные на сегодня системы спутниковой навигации:

• GPS

• ГЛОНАСС

• Galileо

• Бейдоу

                                                     

Все они работают по схожему принципу: для среднего по точности позиционирования в пространстве антенна приемника должен получать сигнал минимум от 4 спутников системы (или от 3, если 1 из координат известна, например, высота над уровнем моря судна в океане — 0 м), но есть определенные различия. Например, каждая спутниковая навигационная система определяет местонахождение в «своей» системе координат, каждая из систем спутниковой навигации принадлежит разным странам или группировкой стран. Но эти факторы не являются важными для пользователей, гораздо важнее отличиями являются наклон и количество орбит, на которых находятся спутники, а также их количество, период обращения вокруг Земли, так как именно эти параметры больше всего влияют на точность позиционирования. 

                                                       

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) — российская радионавигационная спутниковая система, разработанная по заказу Министерства обороны СССР.

Основой системы является 24 активные спутники, вращающиеся на орбите средней высотой 19100 км над поверхностью Земли с наклоном 64,8 ° и периодом около 11:00 в трех орбитальных плоскостях с 8 равномерно распределенными спутниками в каждой, а также резервные аппараты, назначение которых — в любой момент времени заменить спутники, по определенным причинам вышли из строя. Значение периода позволило создать устойчивую орбитальную систему, которая не требует для своей поддержки корректирующих импульсов. Сигналы передаются с направленностью в 38 ° с использованием правой круговой поляризации, с мощностью 316-500 Вт (EIRP 25-27 dBW). Спутники системы ГЛОНАСС стало передают радиоизлучения двух типов: навигационный сигнал диапазона L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности диапазонов L2 и L3 (1,2 ГГц). Наземный комплекс управления ГЛОНАСС состоит из центра управления системой и контрольных станций. Орбита спутников ГЛОНАСС предоставляет возможность применения навигационной системы на высоких широтах (северный и южный полярный регион), где сигнал GPS принимается плохо.

На сегодняшний день погрешности навигационных показателей ГЛОНАСС по долготе и широте составляют 3-6 м при использовании в среднем 7-8 спутников (в зависимости от точки приема сигналов). После запланированного ранее вывода на орбиту аппаратов для корректировки сигнала ожидается повышение точности позиционирования до 1 м.

ГАЛИЛЕО

Галилео – система спутниковой навигации Европейского Союза и Европейского космического агентства.

Система начала действовать с 15 декабря 2016 года в ограниченном режиме. Полностью развернутая система будет состоять из 27 активных и 3 запасных спутников, вращаться с высотой 23222 км над поверхностью Земли с наклоном 56 ° и периодом около 14 часов в трех орбитальных плоскостях с 9 активными и 1 резервным спутником в каждой. Наземная инфраструктура включает два (в будущем — 3) центра управления и глобальную сеть передающих и приемных станций. После завершения проекта, которое намечено на 2020 год, навигационные сигналы Галилео обеспечат хорошее покрытие даже на широтах до 75 ° северной широты, а точность определения местоположения объекта достигнет 1 м.

Также в будущем станет доступной дополнительная функция — спутники Галилео передавать сигналы тревоги пользователей к региональным спасательно-координационных центров. В ответ система будет посылать сигнал пользователям, сообщая, что аварийную ситуацию обнаружено, что считается значительным обновлением по сравнению с имеющейся системой, которая не обеспечивает обратной связи.

Бэйдоу

Бэйдоу — китайская спутниковая система навигации. Планируется, что космический сегмент навигационной спутниковой системы Бэйдоу будет состоять из орбитальной группировки смешанного типа, состоящий из спутников на орбитах 3 типов.

Система Бэйдоу начала функционировать еще в 2003 году, была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 как региональная система позиционирования (только для азиатско-тихоокеанского региона), при этом спутниковую группировку составило 16 спутников. На сегодня границы предоставления услуг позиционирования системой Бэйдоу продолжают расширяться. Точность позиционирования системы для гражданского населения составляет менее 10 метров, точность измерения скорости менее 0,2 метра в секунду. Планируется, что к 2020 году орбитальная группировка Бэйдоу будет состоять из 35 космических аппаратов, из которых 5 Beidou-G будут находиться на геостационарной орбите (точки 58,75 ° в.д., 80 ° в.д., 110,5 ° в. д., 140 ° в.д. и 160 ° в.д.), 27 Beidou-M — на средний круговой орбите (высота 21 500 км, период обращения 12 ч 53 мин, наклон 55 °) и 3 Beidou-IGSO — на геосинхронной наклонных высоких орбитах (в трех плоскостях, высотой орбиты 35786 км, наклоном 55 °), подспутниковые точки которых движутся на поверхности Земли по одной «трассе» в форме восьмерки, ось симметрии которой находится на долготе 118 ° восточной долготы. Это обеспечит переход системы Бэйдоу от статуса региональной в глобальную систему спутниковой навигации

GPS (NAVSTAR)

NAVSTAR GPS (Global Positioning System Navigation Satellite Time and Ranging) — высокоточная спутниковая система навигации, которая позволяет определить местонахождение объекта, его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Комплекс NAVSTAR разработан, воплощен и принадлежит Министерству обороны США.

На сегодня основой системы является 32 спутника (активные и резервные), работающих в единой сети и вращаются на шести круговым орбитам, расположенным под углом 60 ° друг к другу. На каждой орбите размещено по 4 активные спутники, высота орбит примерно равна 20200 км, наклонение орбиты — 55 °, а период обращения каждого спутника вокруг земли равна 12 часам. Таким образом, с любой точки земной поверхности обычно одновременно видно от четырех до двенадцати таких спутников. Каждые 30 секунд спутник передает навигационные сообщения, в которых содержатся данные о положении спутника в определенный момент времени, данные о качестве сигнала, погрешность спутникового часов и коэффициенты модели ионосферы. Передача сигнала со спутника происходит на частоте 1575,42 МГц.

Станции управления размещены в Колорадо-Спрингс, Диего-Гарсия, на острове Вознесения, атолле Кваджелейн и на Гавайях. Вся информация, проходящая через эти станции, записывается ими и передается на главную станцию на авиабазе в Шривера (штат Колорадо).

Обычная точность современных GPS-приемников в горизонтальной плоскости составляет 5-10 метров, и 10-20 метров по высоте. На территории США и Канады являются станции WAAS, в Европе действуют станции EGNOS, которые передают поправки для дифференциального режима, что позволяет увеличить точность вычисления положения до 1-2 метров. При использовании более сложного дополнительного оборудования точность определения координат можно довести до 10 см. Однако, невысокий наклон орбит спутников GPS (примерно 55 °) значительно ухудшает точность в приполярных регионах Земли, поскольку спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом

Проблемы систем спутниковой навигации

Недостатком всех систем спутниковой навигации является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может поступать к приемнику с задержкой либо не поступать вообще. Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала спутников приемником может значительно ухудшиться под плотной листвой деревьев, из-за большой облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут помешать помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Препятствиями для прохождения сигнала также могут быть: плотная застройка города (большое количество небоскребов), толстые бетонные или железобетонные стены, размещение приемника в подземном помещении. Чтобы минимизировать этот недостаток системы спутниковой навигации, рекомендуется размещать приемник на максимально открытой местности, или, если это невозможно, использовать выносные антенны для улучшения передачи сигналов. Перед выбором устройств спутниковой навигации стоит выяснить, какие системы спутниковой навигации лучше функционируют в Вашей местности. Например, в полярных регионах GPS (NAVSTAR) имеет малую точность по сравнению с ГЛОНАСС (причиной является разный наклон орбит спутников), хотя в целом GPS обеспечивает более точное определение местонахождения.

                                                     

Также проблемой GPS (и некоторых других систем спутниковой навигации) считается сброс номера недели (WNRO — week number roll over), ведь это может повлиять на работу устройств спутниковой навигации. В составе навигационных радиосигналов, передаваемых со спутников системы к приемнику, содержится номер недели, максимальное значение которого — 1023. Когда номер недели достигает значения 1023, счетчик сбрасывает отсчет номера недели до 0 (примерно каждые 20 лет). Не подготовленные к данному событию устройства могут начать неправильно высчитывать время и дату, может повлиять на функции устройства, которые зависят от данных параметров. Для минимизации влияния WNRO на ваши устройства спутниковой навигации, необходимо своевременно обновлять ПО и, при возникновении вопросов, обращаться к производителю. Хорошая новость заключается в том, что с модернизацией GPS (и других ССН) максимальное значение номера недели увеличится (специалисты GPS хотят увеличить количество бит счетчика), и о WNRO можно будет не беспокоиться значительно дольше.

GPS, RTK, A-GPS та LBS

Если устройство, использующее GPS, находится в неактивном состоянии в течение длительного времени (более нескольких часов), возникает проблема со скоростью определения местоположения при переводе устройства в активное состояние. Это связано с тем, что устройства необходимо время, чтобы определить, с какими спутниками ему нужно связаться, получить от них сигналы и определить свое местонахождение. То есть, владельцу устройства придется ожидать от 45 секунд (если устройство не было активным несколько часов) до почти 15 мин (если устройство не было активным несколько дней) и, возможно, даже дольше.

Для того чтобы влияние этого недостатка был минимальным, производители, в том числе и ТМ ОКО используют технологии A-GPS или (и) LBS, а также RTK. Как они работают и чем отличаются?

A-GPS

A-GPS (Assisted GPS) — технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приемника. Ускорение происходит благодаря информации, полученной через альтернативные каналы связи. Когда GPS-приемник перейдет с неактивного состояния в активное, ему нужно будет сначала получить данные о текущем положении спутников, а затем уже определять свое местонахождение. Это требует определенных затрат времени. A-GPS помогает ускорить определение координат, подключаясь через интернет веб-сервера (так называемого Assisted-сервера), который уже содержит актуальную информацию обо всех спутниках. Эта информация передается через GPRS или другие типы связи (например, Wi-Fi) на приемник. Таким образом, технология A-GPS придает устройству информацию о расположении нужных спутников, ускоряя «холодный старт», повышая  чувствительность приемника и уменьшая энергопотребление устройства.

                                                         

Однако, данная технология не может функционировать вне зоны покрытия сотовой связи. Кроме того, по A-GPS приходится платить в соответствии с установленным вашим провайдером тарифа, поскольку она потребляет интернет-трафик (хотя и незначительный).  

LBS

LBS (Location-based service) — технология, предоставляющая возможность определить местонахождение объекта с электронной картой LBS-системы, на которой указано расположение базовых станций операторов сотовой связи. Точность определения местоположения зависит от плотности расположения базовых станций на заданной местности. Города обычно находятся в зоне сразу нескольких базовых станций, местонахождение определяется по точке пересечения радиусов покрытия каждой из станций, поэтому точность определения местоположения в населенных пунктах с помощью LBS может достигать 50 метров. За пределами населенных пунктов, точность определения может находиться в пределах от нескольких сотен метров до нескольких километров. 

                                                         

Технология LBS использует статическую базу данных и позволяет получить представление о расположении объекта, но фактически не может предоставить точные координаты, кроме того, не дает никакой дополнительной информации (например, высота над уровнем моря объекта, скорость перемещения). Однако LBS может предоставить приблизительное местонахождение объекта, когда GPS не работает или работает с перебоями (например, в городе с плотной застройкой небоскребов).

RTK

RTK (Real Time Kinematic) — совокупность методов для определения местоположения в пространстве с сантиметровой точностью с помощью спутниковой навигации совместно с поправками с базовых станций. Как уже отмечалось выше, при определенных условиях (дождь, большое количество деревьев, электро-магнитные помехи и т.д.) радиосигналы со спутников частично искажаются, что является причиной ухудшения точности позиционирования. Для того, чтобы повысить точность, была изобретена технология RTK.

Принцип работы технологии RTK

Для получения поправок используется базовая станция, координаты которой должны быть известными заранее с большой точностью. Базовая станция принимает сигналы от спутников, с помощью специализированного ПО рассчитывается погрешность определения местоположения станции, формируются поправки. Они направляются на велосипед (приемник), который в свою очередь принимает сигналы от тех же спутников, и базовая станция. Ровер обрабатывает сигналы спутников и, используя поправки с базовой станции, определяет свое местоположение с точностью до 1-2 см в режиме реального времени. Для передачи поправок используются радиомодемы, интернет и т.п. 

 

Также возможно использование сети базовых станций, находящихся на расстоянии до 70 км друг от друга. В таком случае каждая базовая станция передает полученные из одних и тех же спутников данные о своем местонахождении на сервер, который уже формирует поправки и направляет на велосипед. Он сочетает данные с сервера и сигналы спутников и вычисляет собственно местонахождения. Таким образом, исчезает риск возникновения неточностей в случае выхода из строя одной из станций, сохраняется высокая точность определения координат, даже если велосипед находится на большом расстоянии от базовой станции.

Для получения наиболее точных данных, необходимо чтобы велосипед и базовые станции получали сигналы по крайней мере с 5 спутников и находились на расстоянии до 30 км друг от друга.

ИСТОЧНИКИ

1. https://uk.wikipedia.org

2. https://www.glonass-iac.ru

3. https://wireless-e.ru/articles/modules/2006_1_7.php

4. http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/Galileo/What_is_Galileo

5. https://www.topconpositioning.com/ru/gpsrollover

6. http://mirgarmin.com.ua/WNRO.html

7. https://www.dhs.gov/cisa/gps-week-number-roll-over

8. https://trackerplus.ru/gps/a-gps

9. http://www.portativka.com/chto-takoe-a-gps/

10. https://gpsmarker.ru/info/blog/lbs-i-a-gps-v-chem-raznitsa.html

11. http://dalgeokom.ru/media/Seti-bazovyh-stanciy-RTK/

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Принцип работы — GPS ГЛОНАСС мониторинг СТАР ПОЙНТ Петербург

Принцип работы

Как работает спутниковый мониторинг Стар Пойнт

Контроль движения транспортных средств основывается на изменении в процессе движения спутниковых координат, принимаемых встроенным приемником комбинированным приемником GPS/ГЛОНАСС. Приемник спутникового мониторинга настраивается на автоматический прием координат нахождения транспортного средства с максимально возможного количества спутников соответствующих систем — GPS и ГЛОНАСС.

Прием данных производится бесплатно по всему миру, спутниковые сети рассчитаны на повсеместное покрытие. Погрешность определения координат обычно не превышает 5-15 метров в городской застройке.

В случае отсутствия сигнала c GPS и ГЛОНАСС спутников, система мониторинга может использовать для получения координат канал LBS.

 

Полученные GPS/ГЛОНАСС приемником координаты обрабатываются процессором системы и записываются по ходу движения во встроенную память спутниковой системы слежения. Встроенная память прибора энергонезависима (не стирается при полном отключении питания) и вмещает до 65000 точек маршрута.

Далее, система спутникового мониторинга выходит в сеть Интернет через установленную в нее сим-карту GSM-оператора по каналу GPRS. В сети Интернет система подключается к серверу мониторинга. Передача на сервер происходит постоянно в онлайн режиме, координаты последовательно записываются в базу данных, чтобы затем можно было на их основе выстроить маршрут. В случае отсутствия покрытия сети GSM, данные сохраняются в памяти, и передаются сразу после восстановления покрытия.

Серверная часть системы представляет целую сеть компьютеров, подключенных к сети Интернет с фиксированным IP адресом, образуя облако для хранения данных. Данные об адресе сервера записываются в систему спутникового мониторинга при ее настройке.

Сервер принимает информацию с подключающихся к нему бортовых терминалов спутникового мониторинга, и сохраняет данные в базе. Далее, клиентский интерфейс может обрабатывать эту информацию, и выдавать ее в виде маршрутов на карте и различных отчетов — о пробеге, скорости, времени работы, использовании оборудования, расхода топлива и пр.

При установке оборудования спутникового мониторинга, все наши клиенты получают собственную учетную запись для доступа к системе мониторинга через веб-сервис.

Для использования системы мониторинга в этом случае не надо устанавливать программное обеспечение. Программа открывается при входе на сайт при вводе персонального пароля в окне обычного интернет-браузера, например Internet Explorer, Opera, Chrome и пр. Все программное обеспечение веб-сервиса находится на самом сервере, а заказчик только открывает определенный сайт в веб-браузере.

Поэтому при использовании веб-сервиса можно использовать любые устройства для интернет-серфинга — компьютеры, ноутбуки или планшеты. Для оперативного контроля удобнее использовать мобильное приложение для телефонов на базе Android или iPhone OS, автоматически подключающееся к серверу.

Установка системы мониторинга на транспортное средство производится профессиональными специалистами нашей компании, либо самостоятельно, с учетом наших рекомендаций. Монтаж спутниковой системы производится скрытно, трекер и его антенны размещаются под панелями и конструктивными деталями транспортного средства, при этом обеспечивается уверенный прием сигнала GPS/ГЛОНАСС.

Спутниковая система слежения подключается к бортовому питанию автомобиля, как 12-ти, так и 24-вольтовому, в случае отключения которого продолжает работать от встроенного аккумулятора (за исключением версий без АКБ). При необходимости также подключаются различные датчики, в т.ч. топливные, и производится их настройка/калибровка.

Сим-карты, устанавливаемые в систему, приобретает сам пользователь, оплачивая расходуемый трафик на них, как обычную сим-карту, используемую в телефоне. Поскольку сим-карта установлена внутри системы спутникового мониторинга, доступа к ней не будет, и необходимо предусмотреть возможность проверки баланса либо по телефону, либо в личном кабинете на сайте GSM оператора.

Объем расходуемого трафика на сим-картах минимизирован за счет цифрового сжатия, и не превышает 30 Мб в месяц. При окончании средств на сим-карте передача данных на сервер прекращается, но данные сохраняются во встроенной памяти спутниковой системы контроля, и передаются на сервер после пополнения счета.

В случае отсутствия покрытия сети GSM, данные сохраняются в памяти, и передаются сразу после восстановления покрытия.

Трафик на сим-картах, устанавливаемых в систему мониторинга, оплачивается как и обычные сим-карты для сотовых телефонов. Для крупных компаний рекомендуется использовать корпоративные тарифы операторов GSM, с минимальной стоимостью расходуемого по каналу GPRS трафика.

• Почему нужно что-то платить при использовании системы мониторинга? +

  Оборудование спутникового мониторинга принимает сигналы от группировок спутников GPS и ГЛОНАСС — это абсолютно бесплатно. Но для постоянной передачи данных на сервер, где они хранятся, надо использовать канал передачи данных — сотовую сеть. Поэтому необходимо оплачивать трафик на сим-картах. Также не бесплатна техническая поддержка серверного оборудования. Исключение — если у Вас не большой автопарк до трех автомашин — в этом случае Вы можете бесплатно пользоваться системой в течение всего срока эксплуатации.

• Что происходит в случае, если на местности недостаточный уровень приема сигнала спутников ГЛОНАСС? +

  В случае, если местность не позволяет получать уверенный сигнал с российской группировки спутников ГЛОНАСС, комбинированный GPS/ГЛОНАСС приемник автоматически переключается на группировку GPS, и объект никогда не «пропадает с карты».

• Что будет, если автомобиль заедет в гараж или подземный паркинг? +

  Спутниковые сети рассчитаны на повсеместное покрытие. Единственное исключение — это экранирование сигналов со спутников в случае въезда транспортного средства под металлические или армированные железобетонные покрытия — гаражи, паркинги, мосты, тоннели и т.п. В этом случае система слежения все равно покажет путь транспортного средства до этого объекта. Также, в случае отказа или экранирования приема сигнала со спутников, система слежения передает сигнал, получаемый по каналу LBS, который с меньшей точностью, но все же помогает определить координаты объекта.

GNSS Значение, работа, приложения

Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) — это группа спутников, стратегически расположенных для создания и передачи данных о местоположении, синхронизации и навигации из космоса на подключенные датчики на Земле — обычно встроенные в Интернет Вещи (IoT) устройства. В этой статье объясняется, как работает GNSS, и обсуждаются ее основные приложения в 2022 году.

Содержание

• Что такое GNSS (глобальная навигационная спутниковая система)?
• Как работает GNSS?
• Какова важность GNSS в Интернете вещей?
• Топ-5 приложений GNSS в 2022 году

Что такое GNSS (глобальная навигационная спутниковая система)?

Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) определяется как группа спутников, стратегически расположенных для создания и передачи данных о местоположении, синхронизации и навигации из космоса на подключенные датчики на Земле, обычно встроенные в устройства Интернета вещей (IoT). .

Обзор операций GNSS

Каждый день наша жизнь становится все лучше благодаря развитию технологий. В нашем распоряжении так много технологий, которые объединяют все части нашей жизни, от ваших фитнес-трекеров и направляющего голоса Siri до автоматических кофемашин, умных домов и умных автомобилей. Мир приближается к идеальной среде, где все взаимосвязано, а жизнь становится доступнее. Одним из основных факторов, способствующих этому изменению, является GNSS.

GNSS или глобальная навигационная спутниковая система — это тип спутниковой системы с широким глобальным покрытием. Он использует спутники для обеспечения независимого геопространственного позиционирования. Это позволяет обычным электронным устройствам определять свое местоположение, позиционирование и навигацию с помощью датчиков, которые принимают радиосигналы со спутников.

Система GNSS также позволяет синхронизировать в реальном времени события, конечные устройства и т. д. Она охватывает широкий спектр спутникового слежения и все его приложения. Каждая система GNSS состоит из группы спутников, которые передают высокочастотные сигналы из космоса на приемники по всему миру. Глобальная навигационная спутниковая система используется для позиционирования, навигации и синхронизации (PNT).

В настоящее время во всем мире работает около четырех полнофункциональных систем GNSS. Популярная система глобального позиционирования США (NAVSTAR) была первой в своем роде, за ней последовали группировки спутников из других стран. Есть китайская навигационная спутниковая система BeiDou, российская Глобальная навигационная система (ГЛОНАСС) и Galileo Европейского Союза. Другие региональные системы дополнений включают спутниковую систему Quasi-Zenith, принадлежащую Японии.

GPS Против. ГНСС

Когда упоминаются глобальные навигационные спутниковые системы, первое, что приходит на ум, это GPS. Поэтому важно исправить распространенное заблуждение, что GPS — это то же самое, что и GNSS. GPS или глобальная система позиционирования — это тип GNSS, принадлежащий США и иначе называемый NAVSTAR.

GNSS — это термин, который охватывает все формы глобальной спутниковой системы позиционирования, классическим примером которой является GPS. Таким образом, GPS является разновидностью системы GNSS. Это первая система GNSS, которая была изобретена министерством обороны США для использования в качестве независимой военной навигационной системы. Спустя годы система навигации и позиционирования была выпущена для общего пользования.

GPS — самая точная система определения местоположения, доступная сегодняшним пользователям. Однако оборудование, совместимое с GNSS, т. е. все оборудование, использующее позиционирование, навигацию и синхронизацию, может использовать сигналы от спутников в родственных сетях GNSS, но вне GPS, и по-прежнему получать аналогичную информацию.

В сущности, GPS не является синонимом GNSS. Он подпадает под примеры систем GNSS и может быть классифицирован вместе с другими типами GNSS.

Классификация GNSS

Системы GNSS, используемые в гражданской навигации, включают GNSS 1 и GNSS 2. GNSS 1 — это глобальная спутниковая система первого поколения, которая объединяет существующие спутниковые навигационные системы с другими системами дополнений (такими как спутниковая система дополнений или SBAS). Примеры включают в себя GPS, дополненный глобальной системой увеличения площади (WAAS) в США

GNSS 2 — это спутниковая система второго поколения. Они обеспечивают точность и целостность, используемые для мониторинга гражданского судоходства. Примеры включают Galileo, ГЛОНАСС и т. д. Говоря о производительности различных систем GNSS, используются четыре критерия, а именно:

• Точность: Показывает, насколько фактические фактическое положение, скорость или время сравниваются с данными, измеренными GNSS.
• Целостность: Описывает способность системы устанавливать порог достоверности данных, которые она предоставляет, а также подавать сигнал тревоги при регистрации аномальной информации.
• Непрерывность: Это способность GNSS предоставлять непрерывную информацию без сбоев.
• Наличие: Доступность системы GNSS измеряется в процентах. Он показывает, как часто сигналы от этой системы соответствуют трем другим критериям, упомянутым выше.

Как упоминалось ранее, добавление региональных систем расширения может улучшить качество выходных данных, выдаваемых этими глобальными навигационными спутниками.

Подробнее: Что такое распределенные вычисления? Типы архитектуры, ключевые компоненты и примеры

Как работает GNSS?

Понять, как спутники на орбите Земли могут сообщить человеку, где он находится, и проложить маршрут до ближайшего продуктового магазина, может быть ошеломляюще. Тем не менее, мы можем знать основные принципы, которыми руководствуются системы GNSS, и то, как они работают. Каждая GNSS состоит из трех основных компонентов: 

1.

Спутники или космический сегмент 

Это относится к фактическим спутникам, вращающимся вокруг Земли. Группировка спутников GPS расположена в шести плоскостях, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Каждый самолет имеет как минимум четыре спутника, и такое расположение гарантирует, что по крайней мере четыре спутника всегда доступны для каждого приемника, будь то телефон, наручные часы, смарт-автомобиль и т. д.

Итак, объединив сигналы четырех спутников из 31 в навигационной системе GPS, локальный приемник может расшифровать местоположение и время относительно местоположения спутников, когда пользователи принимают трансляцию.

Хотя спутники могут иметь разную конструкцию, все они основаны на одних и тех же основных принципах. На каждом спутнике есть одни или несколько высокоточных часов, атомных часов, в которых используются рубидиевые или цезиевые генераторы. В каждый момент времени спутник передает две несущие волны, L1 и L2, со скоростью света обратно на Землю с основной частотой 10,23 МГц. Эти волны передают информацию со спутника на Землю, а затем эту информацию используют приемники.

2. Сегменты управления 

Для каждой системы GNSS есть встроенные станции, расположенные вокруг экватора, для управления, мониторинга, отслеживания и связи со спутниками. Это гарантирует, что спутниковые часы синхронизируются и контролируются для обслуживания, как и любая ИТ-инфраструктура. Информация об орбите спутника также передается обратно на спутники и наземный приемник с помощью несущей волны L1.

3. Пользовательский сегмент 

Сюда входят все, что имеет приемник, например мобильные телефоны, автомобили, правоохранительные системы, самолеты и т. д. Как приемники интерпретируют сигналы и определяют наше местоположение? Это делается с помощью процесса, известного как трилатерация, который позиционирует объект с трех расстояний. Приемник GNSS состоит из двух элементов: процессора и антенны. Антенна улавливает сигнал, а процессор декодирует необходимую информацию. Некоторые приемники могут иметь две антенны, основную и дополнительную антенны.

Когда спутник вещает, он передает время отправки этого сигнала, закодированное в информации о сигнале. Затем приемник использует разницу во времени между моментом передачи сигнала и моментом его получения, учитывая временную задержку, вызванную окружающими слоями земли. Затем, используя скорость света, он измеряет расстояние, пройденное сигналами от трех разных спутников.

Приемник может определить свое местоположение с помощью исходной информации о местоположении спутника. Атомные часы, синхронизированные с GPS или четвертым спутником, необходимы для определения времени передачи сигнала. Другой спутник также предоставляет более одной комбинации из трех спутников, которые можно использовать для трилатерации.

Современные электронные устройства не отправляют сигналы обратно на спутники. Они могут только принимать сигналы из космоса и передавать их на другие устройства или станции мониторинга, так отслеживаются автомобили, грузовики и т. д.

Крайне важно понять основную концепцию систем GNSS, так как это поможет нам узнать, как эта глобальная навигационная система влияет на нашу повседневную жизнь. Действительно, GNSS доказала свою важность в настоящей и будущей городской среде, особенно для Интернета вещей (IoT). По мере того, как технологии постепенно превращаются в интеллектуальные устройства и устройства, роль GNSS становится все более очевидной.

Узнать больше: Распределенные вычисления и грид-вычисления: 10 ключевых сравнений

Каково значение GNSS в Интернете вещей?

Мир постепенно осваивает и работает над концепцией Интернета вещей, и он больше не является предметом научно-фантастических фильмов. Несколько отраслей внедряют самоощущающиеся, интеллектуальные и самокоммуникативные устройства. Тем не менее, еще так много предстоит открыть, и исследования и прототипы все еще продолжаются.

В настоящее время существуют миллиарды подключенных к Интернету устройств и миллионы в среде IoT. Интернет вещей неуклонно вторгается во все, и его приложения разнообразны: от смарт-автомобилей, систем утилизации отходов, транспортных услуг и т. д. Этот рост был бы совершенно невозможен без определения местоположения, которое стало возможным благодаря глобальным навигационным спутниковым системам.

GNSS обеспечивает отслеживание в реальном времени, синхронизацию, навигацию и другие области межмашинного взаимодействия, что является основой управления устройствами IoT. Действительно, по мере того, как приложения IoT продолжают расти, к спутниковой системе предъявляется все больше требований, и эти требования постепенно удовлетворяются, что дает возможность для новых открытий.

Важность GNSS в IoT заключается просто в способности устройств узнавать о своем местоположении, местонахождении других машин вокруг них и способности сопоставлять данные в полезную информацию. Например, способность автомобиля обнаруживать другие транспортные средства на своем пути и избегать столкновения или даже определять объезд впереди и выбирать более короткий маршрут. Потенциальные области применения безграничны. Однако, прежде чем мы рассмотрим применение GNSS в современном мире, следует отметить некоторые важные характеристики этих глобальных навигационных систем, которые делают их неотъемлемой частью IoT:

1. Определение местоположения объектов 

Без возможности определения местоположения устройств ГНСС вряд ли сможет предоставить какие-либо функции Интернету вещей. Используя трилатерацию, устройство может подключаться к трем или более видимым спутникам, чтобы определять свое точное местоположение. Затем он может передать эту информацию на любое другое устройство или использовать ее для любых целей.

2. Расчет оптимальной скорости

Устройства, активируемые GNSS, могут постоянно регистрировать свою скорость, поскольку системы GNSS постоянно передают спутниковые сигналы по мере того, как они движутся по орбите вокруг Земли. Скорость можно вычислить, используя основное уравнение физики, скорость = расстояние/время от этой передачи. Эта характеристика GNSS позволяет картам сообщать вам, сколько времени потребуется, чтобы достичь желаемого пункта назначения.

3. Обеспечение точности производительности IoT

Какая польза от определения местоположения и навигации, если они сопровождаются грубой ошибкой в ​​расчетах времени? Фактически, без мощных атомных часов, используемых в системах GNSS, было бы невозможно получить точные измерения расстояния и позиционирования с помощью трилатерации. Часы, встроенные в спутники, обслуживаются и часто контролируются с управляющих станций. Станции обеспечивают точность хронометража и правильную работу устройств GNSS.

В связи с быстро растущим рынком технологий GNSS во всех устройствах также возникают некоторые опасения по поводу практичности высокого энергопотребления. Устройства, подключенные к спутникам GNSS, получающие информацию, потребляют много энергии и могут быть непрактичными для повседневных устройств. Во-первых, это будет означать более короткий срок службы батареи и более высокую стоимость производства, не говоря уже о влиянии на окружающую среду. В настоящее время есть несколько предложенных решений этой проблемы энергоэффективности.

Один из подходов заключается в перенаправлении данных на внешнее устройство без ограничений по мощности меньшего устройства перед отправкой обработанной информации на устройство. Другой рассматриваемый метод — это метод моментальных снимков, при котором приемник активируется только тогда, когда это необходимо в течение короткого периода времени для определения геолокации.

Задача обеспечения геолокации для IoT, которая является практичной с точки зрения стоимости, размера и энергопотребления, отличается от задачи смартфонов.

ИТ-компании пересматривают свою стратегию, поскольку существующие чипы GNSS для смартфонов не работают со всеми устройствами IoT. Это связано с тем, что смартфоны обычно заряжаются ежедневно и, таким образом, обеспечивают достаточную мощность для приемников GNSS. Они имеют быстрые процессоры и постоянно активны. Смартфоны также имеют приемлемую стоимость в несколько сотен долларов, в то время как человек менее склонен покупать наручные часы или смарт-рюкзак за ту же сумму.

Поэтому несколько компаний ухватились за возможность предоставить GNSS с низким энергопотреблением, чтобы датчики и трекеры могли работать годами или десятилетиями без их замены.

Подробнее: 5G или оптоволокно: какой из них лучше всего подходит для подключения к Интернету вещей?

Пять самых популярных приложений GNSS в 2022 году

Несмотря на препятствия, GNSS уже изменила нашу повседневную работу многими способами. ГНСС нашла несколько потенциальных применений, от отдельных лиц и семей до школ и предприятий. Вот некоторые из них:

1. Логистика и транспортировка

GNSS обеспечивает доступ в режиме реального времени к местонахождению товаров для доставки. Когда товары заказываются, производитель, логистическая компания и покупатель могут отслеживать движение товаров, от отправки до момента их доставки.

Он также широко используется в транспортной отрасли, например, в железнодорожном, авиационном и морском транспорте. На железнодорожном транспорте можно отслеживать местоположение всех локомотивов и вагонов, наносить на карту положение других поездов и минимизировать аварии, задержки и т. д. Без GNSS пилоты будут теряться в воздухе. От вылета, в пути и навигации в невидимых атмосферных условиях до посадки системы GNSS управляют всей авиационной системой. То же самое относится и к морскому транспорту. Капитаны могут узнать свое точное местоположение и пеленг с помощью методов с поддержкой GNSS.

2. Отслеживание активов и безопасность 

Все знают, что такое автомобильный GPS-трекер, и это одно из основных применений систем наблюдения GNSS. С помощью GNSS вы можете подтвердить местоположение вашего автомобиля в случае кражи и отследить его местоположение. Помимо автомобилей, потеря багажа в аэропорту часто является распространенной проблемой, и ее можно избежать с помощью устройств мониторинга.

3. Носимые устройства 

В настоящее время существует несколько смарт-часов и мониторов состояния здоровья, которые могут отслеживать движения человека. Они также предупреждают и вызывают на помощь во время кризисов со здоровьем или несчастных случаев, а затем позволяют определить местонахождение человека. Фитнес-трекеры также используют решения GNSS. Другие области применения GNSS включают наблюдение за детьми в парках, наблюдение за осужденными, уход за пожилыми пациентами с дегенеративными заболеваниями и т. д.

4. Промышленность и сельское хозяйство

GNSS также нашла применение в промышленности и сельском хозяйстве. Это варьируется от мониторинга прибывающих грузовиков до повышения эффективности сельскохозяйственной техники. Он распространяется на мониторинг почвы, отслеживание домашнего скота и управление лесным хозяйством.

5. Смартфоны и полуавтоматические автомобили

Наконец, GNSS нашла широкое применение в смартфонах и автомобилях. Это касается карт с поддержкой GPS для беспилотных автомобилей. В настоящее время GNSS наиболее широко используется в смартфонах. Вы можете легко добраться до лучших маршрутов с меньшим трафиком и узнать о ближайших отелях, закусочных и т. д. Беспилотные автомобили становятся все более распространенными, и все это сильно зависит от систем позиционирования.

Одно можно сказать наверняка: GNSS может многое предложить в области подключенных технологий. Будущее светлое и полное удивительных инноваций. Достаточно скоро у нас будет широко распространенная сеть интеллектуальных устройств, которые могут обнаруживать, находить, предвидеть и готовиться к конкретным ситуациям.

Подробнее: Что мешает реализации IoT в больших масштабах и как это исправить

Вывод 

GNSS — одна из основополагающих технологий, обеспечивающих работу Интернета вещей и почти каждой подключенной городской среды, которую мы используем сегодня. Он превратился из простых вариантов использования в оборонном и государственном секторе в гражданские приложения, особенно для реализации IoT.

По мере того, как организации переживают четвертую промышленную революцию, а умные города становятся нормой, а не исключением, GNSS станет основой почти для каждого устройства и системы. Его способность точно информировать о местоположении, навигации и времени сделает его важным инструментом для будущих предприятий.

Помогла ли вам эта статья понять значение и функциональные возможности GNSS? Сообщите нам по телефону LinkedIn Открывает новое окно , Twitter Открывает новое окно 04 Facebook Откроется в новом окне . Мы хотели бы услышать от вас!

БОЛЬШЕ О IoT

• Что такое Интернет вещей? Определение, роль, примеры и тенденции на 2022 год
• Что такое управление устройствами IoT? Определение, основные функции и программное обеспечение
• Что такое управление сетью? Определение, ключевые компоненты и рекомендации 
• Что такое граничные вычисления? Компоненты, примеры и рекомендации
• 10 лучших платформ граничных вычислений в 2022 году

GPS, Galileo и др.

: как они работают и что произошло во время серьезного сбоя?

Автор: bert hubert [email protected] / @bert_hu_bert / https://galmon.eu/

В конце июля 2019 года, Galileo, «европейская система GPS» пострадала от недельного перерыва отключение. Я гордый европеец и считаю, что у нас должна быть своя хорошо функционирующая навигационная система, так что я пытался понять, что происходит. Конечно кто-то мониторил этот материал на публике? Я пришел из Интернета, где мы следить за всеми вещами, если кто-то просили или нет.

Это привело меня к путешествию по наблюдению за Галилео, но быстро и к GPS, Российская система ГЛОНАСС и китайская BeiDou. По пути узнал как на самом деле работают позиционирующие спутники. Это также помогло мне понять, что пошло не так с Галилеем, о чем позже.

В этом посте я хочу поделиться тем, что я узнал, во-первых, потому что это увлекательно, но, во-вторых, потому, что служит документацией того, что веб-сайт мониторинга «galmon.eu» действительно показывает.

Galmon, который мы действительно должны переименовать в Navmon, очень похож на RIPE Зонды Атлас, но тогда для космоса. На основе сети волонтеров буквально по всему мире, мы следим за выходом каждого навигационный спутник и сделать результаты общедоступными в качестве красивого веб-сайт, JSON, но и в виде необработанных данных (сообщений). Galmon находится под открытой лицензией GPL. исходный код и живет на GitHub.

Сеть мониторинга Galmon (к сожалению, сбой в Бразилии)

Я хочу поблагодарить нескольких специалистов по навигации, спутникам и Galileo за вычитка этого поста и внесение предложений и улучшений. раздел о сбое Галилео никем не вычитывался и все предположения это мое.

Примечание: эта страница уже очень длинная и, к сожалению, мы пропустим ее полностью. увлекательные детали модуляции, которые делают возможной спутниковую навигацию. Но вы можете прочитать об этом на этой отличной странице из Делфта Университет.

Как работают навигационные спутники?

Давайте представим, что мы запускаем кучу метрономов, музыкальных устройств, которые тикают в точная частота. Мы заставим их тикать ровно раз в секунду и, в отличие от обычного метронома, мы также заставим их тикать точно на «целом секунды». Таким образом, они испускают тик в 0 секунд после часа, в 1 секунду после часа. час и т. д., один тик каждую секунду, на секунду.

Мы размещаем метрономы на разных орбитах вокруг Земли, чтобы в любое время некоторые из них дальше, чем другие. Затем мы слушаем их тиканье, которые удобно передавать по радио.

Из-за скорости света метроном, находящийся на расстоянии 30000 км, будет посылать тикает целую секунду, но прибудет с нами через 100 миллисекунд позже. Метроном, который ближе к нам, скажем, на 25000 км, будет иметь свою галочку. приходят чуть раньше. Эти различия настолько велики, что если мы поставил бы галочки на громкоговоритель мы бы услышали разницу.

Поскольку мы можем точно измерить задержку, мы можем точно сказать, как далеко каждый спутник от нас. Однако само по себе это нам не поможет определить наше местоположение, потому что мы не знаем, где метрономы!

Эфемериды

Давайте добавим еще одну особенность: метрономы не только тикают, но и посылают описание их орбиты. Это говорит нам на каждом тике, где именно спутник есть.

Это описание называется «эфемеридой», и оно не только подробно описывает, где спутник сейчас, это также позволяет нам рассчитать, где он будет находиться в ближайшее будущее. Как транспортные средства GNSS («Глобальная навигационная спутниковая система») описание их орбит основано на работе Иоганна Кеплера 1620-х годов — с некоторой модернизацией.

Теперь, когда мы знаем, где находятся спутники, а также сколько времени требуется их импульсам для достигнув нас, мы можем вычислить, где мы находимся:

В двух измерениях для этого нам нужны только два спутника, если мы уже были точные часы, которые тоже тикают раз в секунду, на секунду. В трех измерениях нам нужны три спутника, тикающие на нас.

(Обратите внимание, что на рисунке выше мы могли бы также находиться во второй позиции, где круги пересекаются — мы можем исключить это решение, предположив, что мы не на самом деле сами в космосе).

Но на самом элементарном уровне GNSS работает так: спутники говорят нам где они находятся, и посылают «тик» ровно каждую секунду (и на секунды), и определяя время прибытия этого тика в наше местоположение, мы знать, как далеко спутник. И, нарисовав несколько кругов (на самом деле сферы), мы можем обнаружить, где мы находимся. Эта техника называется мультилатерация.

Что, если у нас нет точных часов?

Мы хотим использовать GNSS, чтобы выяснить, где мы находимся, даже если мы не перетаскиваем точные часы с нами. Скорость света означает, что для каждого наносекунды, если мы ошибаемся в часах, наша позиция сместится на 30 сантиметры. Часы с точностью до наносекунды — это тонкие механизмы, которые не помещаются в телефоны.

К счастью, благодаря умной математике можно использовать спутники себя как точные часы — для этого нам нужен дополнительный спутник и угадывание времени. Такое предположение можно было бы сделать, взяв среднее значение всех полученных часов GNSS в сочетании с приблизительным знанием того, как как далеко может быть такой спутник. Вооружившись этим грубым предположением, мы может получиться так:

Обратите внимание, что не все три круга пересекаются в одной точке. Потому что наш грубая оценка часов была неправильной (скажем, они немного запаздывают), все спутники кажутся немного дальше, чем они есть на самом деле. Или другими словами, все круги немного великоваты, из-за чего они не пересекаться в одной точке.

Приемник может на основе этого наблюдения настроить свои внутренние часы, пока все окружности пересекаются в одной точке:

Как только это происходит, мы знаем, что правильное время было получено. Между прочим, благодаря этому трюку наш дешевый GNSS-приемник превратился в весьма точные часы, и GPS-устройства часто используются именно для этого цель.

Теперь к деталям

Как описано выше, наше позиционирование будет точным до километр или около того. Этого недостаточно, чтобы наш телефон обнаружил, в каком магазине мы находятся на так что оператор телефона может продавать рекламу, которая точно нацелены на нас. Так что нам явно нужно работать лучше.

Из вышеизложенного ясно, что для определения нашего положения необходимы две вещи. очень важно: чтобы тики шли ровно всю секунду, плюс что мы очень точно знаем местоположение спутника.

Начнем со второй детали. Иоганн Кеплер примерно в 1617 году выяснил, что чтобы точно описать орбиту спутника, нужно 7 элементы. В его В идеализированной модели орбита привязана к двумерной плоскости и всегда является эллипсом. Затем вы можете точно определить орбиту, используя следующие элементы:

1. Среднее значение длинной и короткой осей эллипса (на практике: площадь эллипса, \(A\))
2. Отношение большой и малой осей эллипса (\(e\)).
3. Три параметра, которые описывают, как ориентирована плоскость орбиты: наклон (\(i_0\)),
4. Долгота восходящего узла (\(\Omega_0\)),
5. Аргумент перицентр (\(\омега\))
6. Как далеко спутник находится по своему эллипсу при Т=0 («средняя аномалия» или \(M_0\))
7. Когда T=0 равно (\(t_{0e}\))

Это было достаточно хорошо во времена Кеплера (на самом деле, это было очень хорошо), но это недостаточно хорош для глобального позиционирования. Потому что оказывается, что земля даже близко не идеальная сфера, и гравитационное поле не полностью униформа. В реальной жизни спутники расходятся на километры от этой идеальной орбита.

Чтобы справиться с этим, пришли большие умы, разработавшие GPS еще в 1970-х годах. со схемой улучшения этих 7 параметров с шестью больше, каждый из которые описывают, как существующие параметры изменяются во времени или в зависимости от положение внутри орбиты.

Я не просто так называю этих людей большими мозгами. Оказывается, они положительно Успешно справился. Спутники имеют лишь небольшую полосу пропускания, чтобы сообщить нам о их орбиты, поэтому очень важно генерировать наилучшие возможные описание в количестве доступных битов.

Когда Китай и Европа решили построить свои собственные навигационные системы в 1990-х у них была возможность улучшить описание орбиты GPS. (эфемериды). И угадай что? Они этого не сделали. Это отчасти из-за вопросы совместимости, но и потому, что GPS проделал невероятную работу 20+ годами ранее, выбирая правильные параметры и распределение битов.

Итак, вкратце: каждый спутник излучает свои 7 кеплеровских элементов, плюс поправки, поэтому мы получаем очень точное описание того, где спутник болтается в космосе.

Время имеет решающее значение

Как отмечалось ранее, одна наносекунда равна 30 сантиметрам при скорости свет. Это означает, что если мы стремимся к точности на уровне «метра» или лучше, нам нужны часы с точностью до наносекунд. Проблема в том, что такие часы едва существуют, не говоря уже о том, что мы можем запустить их в космос и получить надежно работают 10 лет.

Атомные часы — очень интересная штука, и в лабораторных условиях они достигают невероятная стабильность. Но спутник в космосе стоит там под ярким солнечным светом, или вдруг нет, и имеет только ограниченный бюджет мощности. Мы просто не можем запустить идеальные атомные часы.

Для решения этих задач менее точный (но все же очень хороший!) атомный часы в космосе контролируются с земли и сравниваются с некоторыми из этих эталоны времени лабораторного уровня. Хорошая новость в том, что пока часы в космосе могут быть не такими точными, оказывается их отклонения можно моделировать очень хорошо.

Таким образом, «наземный сегмент» GNSS передает в спутники:

1. Часы отстают на \(a_{f0}\) наносекунд
2. Скорость дрейфа часов составляет \(a_{f1}\) наносекунд в секунду
3. Скорость дрейфа увеличивается на \(a_{f2}\) наносекунд/секунду/секунду

Кроме того, передается терм \(t_{0c}\), который привязывает эти термы к конкретный момент времени.

Вместо прямой настройки часов спутники покидают атомную часы как есть, но посылают поправочные условия, чтобы получатели могли выполнить свои собственная коррекция.

Комбинируя все

GNSS-спутники действительно посылают нам «тики», как метрономы сверху, но эти тики являются началом («первым чипом») навигационных сообщений. Эти идут под разными именами в разных системах (страницы, слова, строки), но каждый сообщение начинается с целой секунды и содержит параметры, которые нам нужно знать выполнять точное позиционирование.

Существует множество различных типов сообщений. Некоторые говорят нам об орбите, одни о модели атомных часов, другие сообщают нам о состоянии спутник, ионосферные условия, насколько точна его орбита определяется смещение между «время GPS/Galileo» и «время UTC». Интересно, что каждый спутник также расскажет нам, где находятся все остальные. спутники и как они себя ведут ( альманах). Наконец, есть также сообщения, которые сообщают нам о внутренних длина кабеля и другие факторы, которые могут вызвать задержку сигналов между несколько частотных диапазонов.

Но, по сути, процесс определения «исправления» таков:

1. Получение импульсов от более чем 4 спутников
2. Получите достаточно сообщений, чтобы мы знали орбиты, поправки и поправки атомных часов (или схитрить и взять из интернета)
3. Измерить задержку в тиках для всех этих спутников
4. Запустите математику, сообщите об исправлении

Наземный сегмент

Как отмечалось выше, атомные часы на борту спутников контролируются с земля и поправки отправляются обратно. Аналогично, орбита спутники определены точно и текущие лучшие кеплеровские элементы

• их поправки периодически передаются на спутники.

Различные системы делают это с разной скоростью. «Классический» GPS отправляет обновление каждые два часа и каждый час. Чем старше орбитальное описание & модели атомных часов, тем больше расхождение между предсказанием и реальность.

Через два часа «новое» положение спутника GPS часто составляет десятки сантиметрах от предполагаемого места. Galileo и BeiDou отправляют гораздо более частые обновления и, следовательно, увидеть гораздо меньшее расхождение в орбитальная позиция (в метрах):

(Гистограмма, ось X в метрах, счет по оси Y. Это соответствует «последней дискотеке» на galmon.eu).

Точно так же атомные часы получают обновления, и это часто приводит к существенные исправления. Вот гистограммы скачков атомных часов, где важно отметить, что оси x сильно различаются между GPS, Galileo, ГЛОНАСС и BeiDou:

(Гистограмма, ось x в наносекундах, отсчет по оси y. Этот график соответствует «временной дискотеке» на galmon.eu).

Что пошло не так во время отключения Галилео?

Только очень ограниченное число людей могло комментировать публично во время отключение. Ролик с данными распространил финский Национальная земельная служба (‘maanmittauslaitos’).

Исследовательская группа под названием NavSAS (известная проведением первой в истории исправить) также задокументировали поломку и восстановление, поскольку они случилось.

Наконец, инженер и исследователь ГНСС Даниэль Эстевес полностью ушел в дно чего произошло в несколько разных сообщения.

Очень краткое изложение отличной работы, ссылка на которую приведена выше, состоит в том, что Галилей сначала перестал передавать свои регулярные обновления на спутники. Нормальный обновления пронумерованы от 0 до 127 в поле IOD (см. ниже). В начале события внезапно стали использоваться более высокие числа, с большие прибавки. Это продолжалось до тех пор, пока IOD не достиг 958 из максимального возможное значение 1024. Следующее логическое приращение заняло бы его за пределами 1024.

Спутники продолжали передавать одни и те же эфемериды (детали орбиты) и корректировки атомных часов непрерывно, до 17 июля.

Определение службы Galileo В документе говорится, что эфемериды старше 4 часа недостаточно точно, но приемники, конечно, все еще могут использовать такие эфемерида.

Реальные проблемы, в том числе «невозможные исправления местоположения», начались через 3,5 дня. По техническим причинам эфемериды старше 3,5 дней считаются внезапно предполагалось, что оно датировано 3,5 днями в будущем. Это потому, что \(t_{0e}\) эфемерид указывается в секундах с момента начала неделя» (которая приходится на начало воскресенья UTC). Важно отметить, что номер недели не поставляется.

Это означает, что через 3,5 дня становится неоднозначным, если \(t_{0e}\) означает несколько дней назад или несколько дней в будущем.

Так почему прекратился регулярный поток обновлений? Настоящей ясности не было об этом помимо «неисправности оборудования», хотя некоторые сообщения казались подразумевать проблемы с брандмауэром при попытке переключения на резервную копию центр управления. Одно можно сказать наверняка, это то, что конвейер измерения орбиты, определяя поправки атомных часов и отправляя их на спутники не тривиальны. Если это выйдет из строя, перезапуск может оказаться нетривиальным. это.

В сервисном уведомлении Galileo это указано так:

Технический инцидент, возникший из-за неисправности оборудования в Центры управления Galileo, которые рассчитывают прогнозы времени и орбиты и которые используются для вычисления навигационного сообщения. Неисправность затронула разные элементы на обоих центрах

Мы надеемся узнать больше после независимого расследования Галилео. совет сообщает о своем первоначальные рекомендации, вероятно, в октябре.

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС — очаровательный дизайн эпохи Советского Союза, который сделал несколько важных разные варианты. Во-первых, ГЛОНАСС не использует UTC для внутреннего использования, но фактически определяется в «московском времени». В настоящее время это снова правильно — Москва прошел через период, когда у него было летнее время Время, которое сделало Документы советской эпохи неверны.

Кроме того, все остальные системы определяют время как количество секунд, прошедших с момента определенный начальный момент. ГЛОНАСС отправляет время как номер дня в четырехлетний календарь плюс фактические часы, минуты и секунды в часах Москва покажет. Таким образом, он ловко пытается обойти тернистый путь. проблема дополнительных секунд.

Наконец, ГЛОНАСС отправляет свое местоположение в пространстве уникальным способом. Он кодирует точное положение спутника в определенное время, а также дает скорость в трех измерениях. Наконец, ускорение, испытанное при этом описывается место прихода луны и солнца в этот момент. К рассчитать точное положение спутника ГЛОНАСС, то на самом деле интегрирования дифференциальных уравнений движения, в том числе с учетом сплюснутая форма гравитационного поля Земли.

Могу только заключить, что у проектировщиков ГЛОНАСС были очень большие ожидания того, что могли бы сделать разработчики приемников.

Разница UTC, разница GPS, високосные секунды

Каждая GNSS привязана к комнате, полной атомных часов на Земле. Системы пытаются синхронизировать свои спутники с их собственным часовым созвездием. Однако неизбежно «время GPS», «время BeiDou», «время Galileo» и «ГЛОНАСС». время» будет несколько отклоняться от UTC.

Из-за этого каждая система сообщает, насколько далеко она в настоящее время отклонилась от UTC, а также как быстро он дрейфует. Эти различия, как правило, заключаются в диапазон «несколько наносекунд» с расхождением менее 1 наносекунды день.

Приемники на земле, которые хотят использовать GNSS для учета времени UTC, могут использовать эти поправочные условия для преобразования «времени GPS» или «времени Galileo» в UTC.

Кроме того Галилео и ГЛОНАСС тоже транслируют свою разницу с GPS. BeiDou тоже может транслировать эту разницу, но на практике этого не делает.

Дополнительные секунды игнорируются GPS, Galileo и BeiDou, за исключением услуг наземным жителям, которые заботятся о таких вещах, смещение между «GNSS Time», а время UTC с поправкой на секунды координации транслируется. Каждая високосная секунда объявлено заблаговременно.

ГЛОНАСС теоретически обходит дополнительные секунды, используя московское время, но анекдотично данные свидетельствуют о том, что на практике система ГЛОНАСС немного колеблется на високосный второй день.

Ионосферные поправки

Читатель, дочитавший до конца страницы, возможно, задавался вопросом о скорость света в воздухе или вакууме, и может ли атмосфера играть роль в точности позиционирования. Этот читатель будет прав. На практике тропосфера (с воздухом) высотой всего в десяток километров, и существенной задержки это не добавляет (разве что на очень низких высотах).

Однако ионосфера расширяется от 60км до 2000км в высоту. В этой части атмосферы есть электрон плотность, которая снижает эффективную скорость радиосигнала, что может сорвать синхронизацию с точечными позициями, может быть смещена на десятки метров.

Чтобы противостоять этому, GPS, Galileo и BeiDou рассылают параметры, описывающие текущие ионосферные условия с возрастающим уровнем сложности. ГЛОНАСС таких подробностей не предоставляет, но приемник может применить поправки, полученные от (скажем) BeiDou к сигналу ГЛОНАСС.

Современные транспортные средства GNSS передают информацию на нескольких различных частотах. Задержка, создаваемая ионосферой, прямо пропорциональна частота сигнала. Приемник, способный принимать несколько Поэтому диапазоны могут использовать разницу во времени прибытия («TDOA») между двумя полосы, чтобы получить общую задержку и устранить ее.

Таким образом, если сигнал на одном диапазоне поступает на x наносекунд позже, чем на другом диапазоне а отношение частот 1,5, и мы знаем, что задержка для 0Гц сигнал был бы 0 секунд, это позволяет нам точно рассчитать задержки для отдельных частот.

Удаляет более 99,9% ошибки внесенных атмосферой, без дальнейшего моделирования.

Дополнительная информация на galmon.eu

На сайте galmon.eu перечислены многие параметры обсуждалось выше. На главной странице вы найдете столбец под названием «IOD», это это число, используемое GPS, Galileo и отчасти ГЛОНАСС для описания версия обслуживаемых данных. Это полезно для отладки.

«лучший» происходит от 18-го космического управления США. эскадрилья базу данных объектов в космосе, и это имя их объекта, наиболее близкого к сообщил о местоположении спутника GNSS. «tle-dist» между тем это расстояние в километрах между не очень точным положением, полученным с помощью «TLE», и положение эфемерид.

Как уже отмечалось, спутники также передают альманах с приблизительными эфемеридами для всех другие спутники. «alma-dist» обозначает расстояние между точными позиция и альманах.

«eph-age-m» описывает расстояние между текущим временем и \(t_{0e}\) эфемерид.

Galileo всегда отправляет эфемериды с \(t_{0e}\) в прошлом, GPS всегда есть один в будущем. Для ГЛОНАСС это время составляет от 15 минут до в будущем» на «15 минут назад».

«SISA» — это поле, описывающее, насколько точным GNSS считает позиционирование. спутника есть. Таким образом, если SISA установлена ​​на 200 см, это означает, что оператор считает, что комбинированные ошибки часов и положения должны позволить диапазону этот спутник должен быть определен с точностью более 2 метров. А приемник может использовать это число, чтобы определить вес спутника. при расчете исправления. Спутник тоже может вещать то, что не знает его SISA, что заставляет получателей держаться подальше от его использования. СИСА называется УРА на языке GPS.

В разделе «Здоровье» мы можем узнать, как спутник сообщает нам о своих действиях. Иногда есть разрешение этого (например, с Galileo и GPS), иногда это двоичный код индикатор (ГЛОНАСС и BeiDou).

«источники» показывает номера станций, которые в настоящее время принимают этот спутник, «db» показывает насколько четко (в дБГц).

Каждый спутник вещает на очень точной частоте, но поскольку спутник вообще удаляется от нас или приближается к нам из-за доплеровского эффекты, полученная частота будет отличаться. На земле, Программное обеспечение galmon вычисляет, каким должен быть этот доплеровский сдвиг, и сравнивает это к тому, что получено. Это число отображается как «ΔHz» и измеряется только некоторыми приемниками. Он должен колебаться около 0 Гц — измерение только точные +- несколько Гц.

«prres» означает остаток псевдодальности, и это одно из немногих чисел, мы сообщаем, что на самом деле являются «мнением получателя». Как указано выше, исправление местоположения/времени может быть сгенерировано с использованием 4 спутников. Однако часто эти дней у приемника будет дюжина или более спутников на выбор. Этот означает, что наша позиция переопределена. Получатель может использовать это для расчета «лучшую» точность, а затем сообщить, как далеко от этого лучшего места каждый спутник есть. Стабильно низкие или высокие остаточные значения псевдодальности могут означать у спутника проблемы с часами или эфемеридами. Другой причиной является прием отраженных сигналов, из-за чего радиоволна может занять больше времени (непрямой) путь к нам.

«elev» обозначает высоту над горизонтом, видимую каждому получатель. Измерения на малых высотах проходят через гораздо большую атмосферу и здания и поэтому, вероятно, будут иметь худшее качество. Из-за упрощенный алгоритм, возвышения иногда могут быть слегка отрицательными — это может случиться со спутником, который больше не принимается, но где мы до сих пор сообщаем, где это было.

No related posts.