 |
Перспективы использования GPS
|
|
|
|
Системы GPS и её использование в геодезии.
История возникновения GPS
К началу 70-х годов оказалось, что стоявшая в то время на вооружении армии США спутниковая навигационная система TRANSIT имела существенные недостатки:
· относительно невысокая точность определения координат;
· большие промежутки времени между наблюдениями.
С целью преодоления этих недостатков было принято решение начать работы над созданием спутниковой навигационной системы нового поколения. Первоначально она называлась NAVSTAR (NAVigation Satellite providing Time And Range), т.е. “навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения” (сейчас можно встретить двойное название: GPS-NAVSTAR). Основным назначением NAVSTAR была высокоточная навигация военных объектов. Непосредственная реализация программы началась в середине 1977 г. с запуском первого спутника. С 1983 г. система открыта для использования в гражданских целях, а с 1991 г. сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР.
В 1993 г. система была полностью развернута. Затраты на ее реализацию превысили 15 млрд. USD. В России действует аналогичная система спутниковой навигации ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), принцип работы которой во многом подобен GPS.
Первоначально предполагалось использовать систему GPS только в навигационных целях, но исследования, проведенные учеными Массачусетского технологического института в 1976 - 1978 гг., показали возможность геодезического применения GPS, т.е. определения координат с миллиметровой точностью. С того времени началось использование системы для выполнения геодезических измерений. Мы остановимся, в основном, на этом аспекте использования системы, хотя на практике она находит применение для решения значительно более широкого круга задач.
|
|
|
Общий принцип работы
В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.
В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.
Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
|
|
|
В состав системы входят:
· созвездие ИСЗ (космический сегмент);
· сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
· собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).
Космический сегмент
Состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.
|
|
|
Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:
· обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;
· создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);
· реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.
Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.
Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Однако и это “тайное” стало “явным” в результате утечки секретной информации, после чего к P-коду получил доступ широкий круг специалистов. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.
|
|
|
Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.
Поскольку P- код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код - на одной (L1), в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.
Примеры использования
Геодезия и кадастр
Технология GPS позволяет решать геодезические задачи самого разного уровня: от развития государственной геодезической сети до инвентаризации земельных участков. Практика показывает, что производительность труда возрастает при этом в десятки раз. В зависимости от требуемой точности определения координат, лимита времени на измерения, условий выполнения работ, применяются GPS-приемники различных типов, однако все они работают в дифференциальном режиме и являются фазовыми (за исключением, может быть, некоторых задач ГИС (Геоинформационных систем), где достаточно точности кодового приемника). Наибольшее распространение на территории СНГ получила фазовая одночастотная (L1) аппаратура, поскольку она, с одной стороны, в 2-5 раз дешевле двухчастотной, а, с другой стороны, обеспечивает точность, достаточную для решения большинства практических задач. Вот некоторые примеры использования GPS- технологий в геодезии.
Национальное управление Франции CNASEA проводит работы по созданию кадастра бывшей французской колонии Майотте. Необходимые измерения на территории 375 кв. км были выполнены за 15 дней с использованием GPS- приемников PathFinder Pro XR фирмы Trimble. При применении традиционных геодезические методов на это потребовалось бы около 15 лет.
Специалисты АО “ЗапУралТИСИЗ” использовали приемники 4000ST фирмы Trimble для проведения работ по развитию геодезической сети в г. Уфа. Бригада из двух человек построила триангуляцию из 15 пунктов за 5 дней, тогда как при использовании существующих методов геодезических измерений такую же работу выполняет бригада из пяти человек за 2 недели.
Диспетчерские службы
Очень широкое распространение в мире получили системы автоматического определения координат движущихся объектов на основе GPS или системы GPS/AVL (Automatic Vehicle Location). С их помощью на современном уровне решаются задачи диспетчеризации транспортного парка. Каждый автомобиль оснащается GPS- приемником и радиосвязным оборудованием, обеспечивающим передачу информации на диспетчерский пункт. На экране монитора диспетчера с использованием программного обеспечения ГИС формируется электронная карта территории, которая обслуживается транспортными средствами. Данные о координатах и скорости движения автомобилей, полученные по радиоканалу, позволяют отобразить их текущее положение на этой карте. Помимо координатной информации по радиосвязной линии могут передаваться сигналы различных датчиков, установленных на автомобиле и другая информация. Возможности системы:
|
|
|
Диспетчер отслеживает в реальном времени перемещения всех автомобилей.
На электронной карте выделяются зоны, при попадании автомобилей в которые подается сигнал диспетчеру.
При отклонениях автомобилей от заданного маршрута у диспетчера срабатывает сигнализация.
С диспетчерского пульта контролируется состояние датчиков, установленных на каждой подвижной единице: топливных, температурных, несанкционированного вскрытия контейнеров, переворачивания автомобиля, включения “мигалки” и т.д.
Стандартные сообщения водителя могут быть запрограммированы так, что при нажатии соответствующей кнопки в автомобиле к диспетчеру поступает информация типа: “пробка на дороге”, “попал в аварию”, “задержан милицией”, “нападение”, “захват”. Эти сообщения при необходимости легко кодируются и могут использоваться в случаях, когда надо соблюдать режим радиомолчания.
По команде с диспетчерского пункта блокируется система зажигания, двери салона автомобиля и контейнера.
В кабине автомобиля может быть установлен специальный бортовой компьютер, работающий в режиме терминала. Кроме текстовых сообщений между водителем и диспетчером передаются специальные формы (накладные, маршрутные листы и пр.).
Моделирующие возможности ГИС диспетчера позволяют оптимизировать маршруты доставки грузов с учетом различных факторов.
Некоторые примеры использования GPS/AVL систем приведены ниже.
Компания SonyMobileComm разработала GPS/AVL систему NVX-F160 с программным обеспечением EtakGuide. Автомобили оборудованы 8-канальными GPS- приемниками, которые опрашиваются с частотой 1 Гц. Карты 48 штатов территории США, схемы 32 главных американских дорог, планы 1000 парков и 5000 мест отдыха записаны на прилагаемом компакт-диске. Фирмы TeleAtlas и Philips Car Systems подписали соглашение о совместном производстве подобных компакт-дисков с цифровыми картами различных территорий.
Система Priority One (разработка американской фирмы Greenfield Associates), кроме стандартных AVL- функций, обеспечивает водителю приоритетный проезд через самые сложные участки дорог в пределах города. Для определения оптимального пути движения используется информация о координатах и скорости автомобиля, а также возможных альтернативных маршрутах и загруженности перекрестков. Установленный на автомобиле 12-канальный GPS- приемник фирмы Canadian Marconi обеспечивает в дифференциальном режиме точность определения координат не хуже 5 м.
Диспетчерские GPS- системы используются в службе инкассации ИНКОМБАНКа (г. Москва), некоторых управлениях МВД России и Казахстана, специальном техническом управлении МЧС России.
ГИС-приложения
Навряд ли найдется более быстрый способ определения координат множества точек на земной поверхности, чем с помощью GPS-приемника. Можно установить его антенну на крышу автомобиля и за сравнительно короткий срок уточнить расположение дорожной сети на карте. Причем получаемая информация может быть непосредственно введена в ГИС и показана на цифровой карте. Не случайно GPS-технология очень широко используется для целей ГИС.
Фирмой Trimble выпускается портативный plag-and-play GPS-приемник в стандартном формате PC-card. Приемник смонтирован в PCMCIA-карте и соединен с малогабаритной антенной (диаметр около 6 см). Антенна имеет магнитное крепление и может быть легко установлена на крышу автомобиля. Программное обеспечение Direct GPS позволяет сразу же вводить координатную информацию в цифровую карту ГИС ArcView и отображать текущее положение автомобиля на экране портативного компьютера, к которому подсоединен приемник. Это оборудование очень популярно среди американских любителей автомобильных путешествий.
Навигация
Еще на заре эры применения GPS-приемников для целей воздушной навигации были получены потрясающие результаты: более точное следование заданному маршруту полета, которое обеспечивалось использованием GPS-навигации, давало экономию топлива в десятки млн. USD в год на каждый самолет.
Известны примеры использование DGPS для реализации систем “слепой посадки” самолетов. Отклонение самолета от осевой линии ВПП не превышало 10 - 30 см. Причем, если сейчас системы, обеспечивающие надежную посадку в условиях плохой видимости, очень дороги (их могут себе позволить только крупные аэропорты), то стоимость подобной системы на основе DGPS будет по карману даже самым маленьким аэродромам. Такие системы, вероятно, давно бы стали стандартными во всем мире, если бы не непредсказуемое поведение Министерства обороны США в области GPS. Обнадеживающим является заявление американских властей о снятии с 2000 г. ограничений на использование GPS-сигналов. Кроме того, сейчас ведутся активные работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана (скорее всего, Украина также примет в этом участие). Предусматривается развертывание в околоземном пространстве системы низкоорбитальных и геостационарных ИСЗ, которые позволят выдавать точные параметры орбит GPS-спутников и вычислять дифференциальные поправки. На поверхности Земли также будет действовать сеть станций для ретрансляции поправок в пределах всей европейской территории.
GPS-приемники используются для навигации морских судов, занимающихся ловлей лангустов у западного побережья Австралии (в 1995 г. общий объем промысла составил около 240 млн. USD). Годовая лицензия на одну ловушку стоит 15 тыс. USD, а каждый хозяин судна имеет их не менее 100. Бортовые GPS-приемники работают в дифференциальном режиме, причем для выдачи поправок используется система из 10 базовых станций (9 находятся на территории Австралии и 1 - в Новой Зеландии). Экономия топлива за счет меньших отклонений от маршрута только в течение одного сезона составляет около 10 тыс. USD. В некоторых случаях, когда теряются маркерные буи или ловушка отцепляется от троса, только точная DGPS-навигация позволяет успешно завершить поиски ловушек.
Немецкая фирма STN Atlas Elektronik GmbH разработала систему определения расположения контейнеров в порту Дубаи. Мобильные GPS-приемники серии 4000 фирмы Trimble установлены на автопогрузчиках. В башне управления портом располагается диспетчерская станция, которая осуществляет радиосвязь с погрузчиками в диапазоне УКВ. Кроме того, на каждом автопогрузчике установлен “процессор положения”, служащий для хранения и обработки информации о всех контейнерах. Высота и положение контейнера в пространстве определяется ультразвуковыми датчиками. Таким образом, на базе технологий GPS “интеллектуализируются” даже такие рутинные погрузочно-разгрузочные работы, обеспечивается оптимальное размещение контейнеров в порту.
Перспективы использования GPS
Уже начиная с 1993 года различные государственные и научные организации США ведут исследования касательно перспектив использования GPS. В результате в 1993 г. был выпущен совместный документ Министерства обороны (МО) США и Министерства транспорта (МТ) США “Использование GPS для решения военных и гражданских задач”. В документе подчеркивается:
· финансирование всей системы будет продолжать осуществляться из бюджета МО США;
· развитие гражданских приложений будет финансироваться МТ США;
· предполагается развивать глобальные сети дифференциальных поправок DGPS (что сейчас очень активно делается);
· развитие общественных сетей DGPS будет финансироваться государственным бюджетом, а приватные сети поддерживаться не будут;
· предполагается расширить комплекс мероприятий по дальнейшему использованию GPS в целях мирового сообщества.
В исследование вопросов перспектив использования GPS включились также Национальная Академия государственного управления (NAPA - National Academy of Public Administration) и Национальный совет по научным исследованиям (NRC - National Research Council). Первая организация изучала политические вопросы использования GPS, а вторая - технические. По заказу Конгресса США были выработаны соответствующие рекомендации.
Основные рекомендации NAPA:
Президент США должен четко определить политическую линию руководства страны в отношении дальнейшего использования GPS;
США должны гарантировать, что и в дальнейшем использование GPS будет бесплатным;
В ближайшее время необходимо пересмотреть политику использования режима SA как одну из мер защиты системы (она уже не столь эффективна) и предложить новые меры, которые позволят предотвратить вмешательство в работу системы нежелательных лиц (террористов, руководства агрессивных государств и т.д.);
США должны обеспечить возможность более широкого использования GPS мировым сообществом.
Основные рекомендации NRC:
Необходимо выключить режим SA и дезактивировать его в течение 3-х лет;
Режим AS нужно оставить, но распространение криптографических ключей должно выполняться электронным способом. Для этого нужно усовершенствовать метод электронного шифрования сигналов;
Направления развития системы для военных пользователей:
Приемники нового типа должны иметь возможность осуществлять захват сигнала сразу по Y- коду (без предварительного захвата сигнала С/А - кода, поскольку в военное время этот сигнал будет заглушаться);
Необходимо разработать эффективные и доступные по цене антенны и антенную электронику, которые позволят повысить устойчивость системы к помехам;
Целесообразно использовать комплексированные навигационные системы с GPS - коррекцией, что обеспечит повышение точности и помехоустойчивости навигации;
Приемники военного применения должны иметь возможность компенсировать ионосферную погрешность в условиях глушения сигнала гражданской частоты L1. Для этого необходимо совершенствовать программное обеспечение приемников.
Направления развития системы для коммерческих и иных применений:
Сигналы новых модификаций спутников класса Block II-R будут моделироваться третьей частотой L3;
Информация об орбитах спутников будет корректироваться более часто, что повысит точность навигационных определений. Предполагается снятие 48-часового эмбарго на распространение информации о точных орбитах;
Сеть наземных станций слежения будет расширена. Эти станции разместятся на авиабазах МО США либо на базах Топографической службы МО США (DMA).
Администрация Б.Клинтона 29 марта 1996 года выступила со специальным заявлением о перспективах развития GPS. В ближайшее время будут сделаны следующие шаги по совершенствованию этой системы:
На протяжении следующего десятилетия будут сняты все военные ограничения на использование GPS. Вместо этого планируется разработать другие меры защиты национальных интересов США в отношении применения GPS (пока неизвестно, какие).
Предполагается увеличить в 4 раза капиталовложения в систему и довести годовой оборот рынка GPS- оборудования до 8 млрд. дол. Это позволит к 2000 году создать только в США около 100 тыс. дополнительных рабочих мест.
Даже простейшие бытовые GPS- приемники уже в недалеком будущем обеспечат возможность определения местоположения с точностью 1 м.
|
|
|
