Знаки Навигации Реферат
Знаки Навигации Реферат
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
навигационный приемник электронный карта
.
Теоретические основы построения навигационных систем
1.1 Общие
сведения о навигационных системах
1.2 Сетевая радионавигационная
спутниковая система GPS
.6 Геодезическая основа отсчета
координат ЭК
. Анализ электронных средств
отображения картографической информации
.1 Общие
принципы работы навигационных приёмников
2.2
Стандартные гражданские навигационные приемники
.4
Портативные туристические GPS-навигаторы
2.5 Системы на основе внешнего приемника
и ноутбука или нетбука
2.6
Навигационные системы на основе коммуникаторов и смартфонов
Определение местоположения на Земле было одной из важнейших задач
человечества. Древние мореплаватели ориентировались по звёздам, указывающим
направление движения. С появлением компаса задача существенно упростилась.
Изобретение морского компаса дало мореплавателям надежное средство для
ориентировки в море в любой момент дня и ночи и независимо от погоды и было
необходимым шагом к эпохе великих географических открытий. Одновременно шло
развитие картографии. Развитие цивилизации в XX веке потребовало более точных
методов определения координат. Решение данной задачи стало результатом
технического прогресса второй половины XX века.
В 1957 году в СССР группа учёных под руководством В.А. Котельникова
экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения
искусственного спутника Земли по результатам измерений доплеровского сдвига
частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Была установлена возможность
нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого
с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны. Положение
ИСЗ в каждый момент можно вычислить на основании информации, заложенной в
сигнале спутника. Пользователь, измеряя частоту пришедшего к нему сигнала,
сравнивает её с эталонной и вычисляет доплеровский сдвиг частоты, обусловленный
движением спутника, а затем и координаты потребителя.
В конце 50-х годов XX века в Советском Союзе проводились исследования
ставшие основой для построения первой отечественной низкоорбитальной
навигационной спутниковой системы "Цикада". В 1963 году начались
работы по построению этой системы. В 1967 году на орбиту был выведен первый
отечественный навигационный спутник "Космос-192".
Одновременно подобные работы начали проводиться и в США. В результате в
1964 году в США создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система
первого поколения "Transit" предназначенная для навигационного
обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет. Для коммерческого
использования система становится доступной в 1967 г.
Основной недостаток данных систем был связан с их низкоорбитальностью, и
соответственно малым временем доступности системы. Поэтому в 1967 году ВМС США
была разработана программа по созданию навигационной системы нового поколения.
Аналогичную программу вили и ВВС США. В 1973 году две программы были объединены
в одну. Результатом этих работ стало создание навигационнй системы
"Navstar-GPS" или просто GPS которая была полностью развернута к 1996
году.
В Советском Союзе работы над аналогичной системой начались в 1976 году. В
декабре 1976 года правительство СССР приняло указ о разработке второго
поколения навигационных спутниковых систем - ГЛОНАСС, хотя это было лишь
формальной датой появления так как первые технические предложения были выведены
уже в начале 1976 года.
Эскизное проектирование длилось до 1979 года, после чего начались первые
испытания. В 1982 году был запущен первый спутник системы
"Космос-1413".
Развал Союза сильно затормозил этот процесс - прекратилось
финансирование.
Испытания закончились в 1991 году, после чего, в 1993-м, по указу главы
государства система была введена в эксплуатацию. Однако реально действующей
система стала лишь с 2008 года, когда число действующих спутников ГЛОНАСС
составило двадцать единиц. В это время Правительством увеличило финансирование
программы, после чего на орбиту были запущены еще 9 спутников. Дальнейшие
разработки направились на улучшение параметров, увеличение точности сигналов и
модернизацию потребительских устройств. В 2011 году был запущен спутник
"ГЛОНАСС-К" - третье поколение системы. В настоящее время это
полноценно функционирующая навигационная система. Наряду с орбитальным
сегментом важнейшими компонентами системы являются навигационные приемники и
соответствующее программное, в том числе картографическое обеспечение.
Актуальность темы определяется значением, которое имеют навигационные
системы в современном мире.
Объектом исследования в квалификационной работе являются навигационные
системы.
Предметом исследования является электронные средства отображения
картографической информации.
Цель данной работы - изучение общих принципов функционирования
навигационных систем и навигационных приемников, вопросы организации
программного обеспечения приемников, их эксплуатации и перспективы развития и
модернизации.
Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:
· изучить принцип работы навигационных систем NAVSTAR и ГЛОНАСС;
· проанализировать основные принципы работы навигационных
приемников;
· рассмотреть структуру программного обеспечения приемников;
· изучение структуры программного обеспечения пользователя;
· оценить перспективы развития навигационных систем.
· сделать рекомендации об использовании различных средств
работы с электронными картами.
В теоретической части работы рассматриваются принципы функционирования
навигационных систем GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС, анализируются основные типы
навигационных карт и решаемые на них задачи, рассматривается структура
программного обеспечения.
В практической части данной работы проводится анализ принципов
функционирования различных электронных средств отображения картографической
информации.
В 1958-1959 гг. в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им.
А.Ф. Можайского, Институте теоретической астрономии АН СССР, Институте
электромеханики АН СССР, двух морских НИИ и Горьковском НИРФИ проводились
исследования по теме "Спутник", ставшие впоследствии основой для
построения первой отечественной низкоорбитальной навигационной спутниковой
системы "Цикада". В 1963 году начались работы по построению этой
системы. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный
спутник "Космос-192".
Параллельно с этим, после успешного запуска СССР первого искусственного
спутника земли, в США в Лаборатории прикладной физики Университета Джона
Гопкинса проводились работы по вычислением параметров движения спутника
относительно наземного пункта наблюдения. На основе этих исследований в 1964
году в США создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система
первого поколения "Transit". Основное её назначение - навигационное
обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для
коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. Так же, как
и в системе "Цикада", в системе "Transit" координаты
источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7
видимых спутников.
В первых системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что
системы низкоорбитны, время, в течение которого спутник находится в поле
видимости потребителя, не превышает одного часа.
Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем,
обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная
синхронизация сигналов спутников с необходимой точностью. Для этих целей в 1967
году ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск
спутника TIMATION-I, а в 1969 году - спутника TIMATION-II. В то же время, ВВС
США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов,
модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода
позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым
разделением сигналов от различных. В 1973 году в США была инициирована
программа создания навигационной системы DNSS, позже переименованная в
Navstar-GPS, а, затем, в GPS. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля
1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия
земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала
на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на
неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
Первоначально глобальная система позиционирования GPS разрабатывалась как
чисто военный проект. В 1983 году президент США Рональд Рейган разрешил
частичное использование системы навигации для гражданских целей [2]. Во
избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена
специальным алгоритмом.
В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной
системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника "Космос-1413".
Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому
сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным
космическим аппаратам - ПО "Полёт" (г. Омск). Головным разработчиком
радиотехнических комплексов является РНИИКП; ответственным за создание
временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры
потребителей определён Российский институт радионавигации и времени.
Системы NAVSTAR и ГЛОНАСС концептуально аналогичны и отличаются
некоторыми аспектами технической реализации. В их основе - орбитальные
группировки спутников на круговых орбитах. Высота орбит такова, что спутники
совершают примерно два оборота вокруг Земли в сутки. Номинально в каждый момент
системы имеют 24 работающих спутника и 3 резервных.
Спутники распределены по нескольким орбитальным плоскостям - в ГЛОНАСС их
3, в NAVSTAR - 6. На каждой орбите, таким образом, находится 8 и 4 спутника,
соответственно.
Для NAVSTAR плоскости орбит разнесены по прямому восхождению на 60
градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 54°.
У NAVSTAR - высота орбиты 20150 км и период обращения 11 часов 57 минут,
у ГЛОНАСС - 19100 км и 11 часов 16 минут соответственно (т.е. периоды обращения
равны почти половине звездных суток).
На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два
рубидиевых - для целей резервирования, их погрешность составляет 1 секунду за
160 000 лет), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит,
приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Американская система GPS предназначена для высокоточного определения
координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной
шкале времени. Она разработана для Министерства Обороны США и находится под его
управлением. GPS состоит из космического сегмента, наземного командно-измерительного
комплекса и сегмента потребителей.
Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками
системы являются [2]:
· по космическому сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta
Astro Space Division;
· по сегменту управления - IBM, Federal System Company;
· по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avio-nics &
Communication Division.
Космический сегмент GPS на 1 мая 2012 года состоял из 31 навигационных
космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом
обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~
20000 км. Функционирование на такой большой высоте позволяет сигналам покрывать
большую территорию. Спутники расположены на орбитах так, что GPS навигатор на
земле всегда может получать сигналы по меньшей мере от четырех из них в любое
заданное время. НКА системы GPS проходили ряд усовершенствований, которые
сказывались на их характеристиках в целом. В табл. 1 Приложения А приведены
краткие характеристики космических аппаратов, используемых в системе.
Спутники вращаются со скоростью 7 000 миль в час, что позволяет им
обходить вокруг земли каждые 12 часов. Они питаются солнечной энергией и
рассчитаны приблизительно на 10 лет работы. На случай пропадания солнечной
энергии у спутников есть резервные батареи. Спутники оснащены малыми
реактивными двигателями, которые корректируют траекторию вращения.
Каждый спутник передает сигналы малой мощности на нескольких частотах
(выделенные L1, L2 и др.). Гражданские GPS навигаторы используют частоту L1.
Сигналы проходят "линию видимости", что значит, что они пройдут через
облака, стекло и пластик, но не пройдут сквозь большинство твердых объектов,
таких как здания и горы.содержит два "псевдослучайных" сигнала, Защищенный
(Р) код и код гражданского доступа (С/А). Каждый спутник передает уникальный
код, позволяющий GPS приемнику идентифицировать сигналы. Р-код также называют
"Р(Y)" или "Y" код.
Основной целью этих закодированных сигналов является возможность вычисления
времени прохождения (или времени прибытия сигнала) от спутника до GPS
навигатора на земле. Время прохождения, умноженное на скорость света, равно
дальности спутника. Навигационное сообщение содержит данные об орбите спутника,
системном времени, общем состоянии системы, а также модель задержки сигналов в
ионосфере. Спутниковые сигналы рассчитываются с использованием сверхточных
атомных часов. Структура навигационных радиосигналов системы GPS показана на
рисунке.
Рисунок 1 - Структура навигационных радиосигналов системы GPS
В системе GPS используется кодовое разделение сигналов (СDMA), поэтому
все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS
излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала L1
составляет 1575,42 МГц, а второго - L2 - 1227,6 МГц. Сигнал несущей частоты L1
модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована
путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и
навигационных данных, формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте L1
передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными
последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2
точного дальномерного кода Р или засекреченного кода Y и навигационных данных.
Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/A
(открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.
Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и
Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования
точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени
спутникового сигнала. Структурное деление навигационной информации спутников
системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр
образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в
течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и
передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку
времени, соответствующую началу/окончанию очередного 6-с интервала системного
времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младших
разрядов являются проверочными битами.
В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и
данные эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих
подкадров остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м
подкадрах содержится информация о конфигурации и состоянии всех КА системы,
альманахи КА, специальные сообщения, параметры, описывающие связь времени GPS с
UTC, и прочее.
Система ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации
приземных подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны.
По своей структуре ГЛОНАСС так же, как и GPS, считается системой двойного
действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских
целях. Разработкой аппаратов занимается ОАО "Информационные спутниковые
системы" имени академика М.Ф. Решетнёва". Система также включает в
себя три сегмента:
· космический сегмент, в который входит орбитальная группировка
искусственных спутников Земли;
· сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ)
орбитальной группировкой космических аппаратов;
· аппаратура пользователей системы.
В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции
используются навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой
геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км. Период обращения спутника вокруг
Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут.
В таблице Приложения Б приведены сведения о космических аппаратах,
используемых в системе. В Приложении В приведены сведения о космических
аппаратах, используемых в системе. В состав бортовой аппаратуры входят:
бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий
комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.
Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет
следующие функции:
· эфемеридное и частотно-временное обеспечение;
· мониторинг радионавигационного поля;
· радиотелеметрический мониторинг НКА;
· командное и программное радиоуправление НКА.
Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой
точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной
нестабильностью порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется
водородный стандарт с относительной нестабильностью 1014. Кроме того, в состав
НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной
шкалы с погрешность 3-5 нс.
Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это
означает, что на земле определяются параметры движения спутников и
прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток
времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение,
передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же
входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно
системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в
Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до
спутника и его радиальной скорости.
В системе Глонасс используется частотное разделение сигналов (FDMA),
излучаемых каждым спутником - двух фазоманипулированных сигналов. Частота
первого сигнала лежит в диапазоне L1 ~ 1600 МГц, а частота второго - в
диапазоне L2 ~ 1250 МГц. Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в
диапазоне L1 и L2 когерентны и формируются от одного эталона частоты. Одна из
несущих подвергается фазовой манипуляции на 180º. Модулирующий сигнал получают
сложением по модулю 2 трёх двоичных сигналов (рис. 2):
· грубого дальномерного кода, передаваемого со скоростью 511
Кбит/с;
· последовательности навигационных данных, передаваемых со
скоростью 50 бит/с;
· меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.
Рисунок 2 - Структура сигнала ГЛОНАСС
Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей
в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его
структура не раскрывается.
Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк,
каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются
навигационные данные, а во второй (0,3 с) - Метка Времени. Она представляет
собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 символов
с тактовой частотой 100 бит/с.
Навигационные сообщения спутников системы Глонасс необходимы потребителям
для навигационных определений и планирования сеансов связи со спутниками. По
своему содержанию навигационные сообщения делятся на оперативную и
неоперативную информацию. Оперативная информация относится к спутнику, из
сигнала которого она была получена. К оперативной информации относят оцифровку
меток времени, сдвиг шкалы времени спутника относительно шкалы системы,
относительное отличие несущей частоты спутника от номинального значения,
эфемеридная информация.
Неоперативная информация содержит альманах, включающий в себя данные о
состоянии всех спутников системы,сдвиг шкалы времени спутника относительно
шкалы системы, параметры орбит всех спутников системы, поправку к шкале времени
системы Глонасс.
Выбор оптимального "созвездия" КА и прогноза доплеровского
сдвига несущей частоты обеспечивается за счёт анализа альманаха системы.
Навигационные сообщения спутников системы Глонасс структурированы в виде
суперкадров длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из пяти кадров
длительностью 30 с. Каждый кадр содержит 15 строк длительностью 2 с. Из 2 с
длительности строки последние 0,3 с занимает метка времени, остальная часть
строки содержит символы цифровой информации, передаваемых с частотой 50 Гц.
Для определения координат потребителя необходимо знать координаты
спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника.
Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими
навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В
аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение
координат спутников на нужный момент времени.
Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому
сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их
координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах
некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом
интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются
достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.
Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений
спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с
оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта КА разбивается на
участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка
задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю
навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели
оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций,
аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени
как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.
В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом
времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом.
Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из
навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих
элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул
кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости
спутника.
В системе Глонасс для определения точного положения спутника используются
дифференциальные модели движения. В этих моделях координаты и составляющие
вектора скорости спутника определяются численным интегрированием
дифференциальных уравнений движения КА, учитывающих конечное число сил,
действующих на КА. Начальные условия интегрирования задаются на узловой момент
времени, располагающийся посередине интервала аппроксимации. Для определения
координат потребителя необходимо знать координаты спутников и дальность от
потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном
приёмнике [4] с точностью около 1 м. Для удобства рассмотрим простейший
"плоский" случай, представленный на рис. 3.
Рисунок 3 - Определение координат потребителя
Каждый спутник можно представить в виде точечного излучателя. В этом
случае фронт электромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух
сфер будет та, в которой находится потребитель. Высота орбит спутников
составляет порядок 20000 км. Следовательно, вторую точку пересечения
окружностей можно отбросить из-за априорных сведений, так как она находится
далеко в космосе. Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю
получить координаты с точностью порядка 10-15 м. Однако для многих задач,
особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных
методов повышения точности определения местонахождения объекта основан на
применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных
измерений.
Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить
координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м
- в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью
контрольного GPS-приёмника, называемого опорной станцией. Она располагается в
пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник.
Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной
геодезической съёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки,
которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.
Навигационные системы в современном мире. Курсовая работа...
Курсовая работа: Спутниковые системы навигации - BestReferat.ru
плавучии навигационные знаки - Скачать Реферат - Курсовая...
Реферат «Условные знаки как элементы языка карты, их виды»
GPS- навигация | реферат [25,6 K], добавлен 25.07.2009
Курсовая Работа Инновационное Управление
Реферат Исторический Обзор Гипотез Образования Земли
Сочинение Описание Айвазовский Буря У Мыса Айя
Методы Анализа Диссертации
Правовой Статус Судей В Российской Федерации Курсовая