УДК 624. 942.5
РОЛЬ GPS В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ. «ТИХОЕ» ПРОНИКНОВЕНИЕ.
Андрюхина Юлия Николаевна, Рычкова Дарья
Николаевна, [email protected]
Студентки Евразийского Национального Университета им.Л.Н.Гумилева, г.Астана Казахстан.
Научный руководитель – Асылбеков К.М.
Проблема определения своего местоположения на поверхности земли актуальна для человечества уже не одну тысячу лет. Предки современного человека достигли самых удаленных точек почти всех континентов, заселили лежащие посреди океанов острова, преодолели крупнейшие пустыни и уходящие в небо горные вершины. Но возникает вопрос: как они ориентировались на бесконечных просторах планеты? Первое, что приходит в голову, - использование естественных ориентиров: солнца, луны, звезд. С развитием астрономии, математики и механики люди стали применять получаемые знания для наблюдения за поведением небесных светил. Идея оказалась исключительно простой:
для ориентации на поверхности земли достаточно было измерить высоту двух светил (например, звезд), разнесенных по азимуту на 90 градусов. Одинаковая высота звезды могла быть зафиксирована наблюдателем, находящимся на окружности - основании конуса, в верхушке которого и располагалась звезда. Окружности - основания конусов двух звезд - пересекались на земной поверхности в двух точках, разнесенных на тысячи километров друг от друга.
Современный человек растерял практически все знания об окружающем мире, накопленные тысячами поколений предков. XXI век – это век информационных технологий, в котором каждая область науки и техники является автоматизированной, в следствие этого человек не может обойтись без коммуникаторов, гаджетов и современных портативных устройств. После изобретения радио и разработки конструкций направленных антенн, были предприняты попытки применить для целей навигации радиомаяки, работающие за пределами оптической видимости. Следовательно, для высокоточного определения местоположения наблюдателя на поверхности земли требовалось всего-то - знать с высокой точностью высоту светил в момент измерений и время самого измерения. Появление высокоточных астрономических таблиц, высокоточного измерителя углов - теодолита (позднее - секстанта) и часов с постоянным ходом - хронометра позволило окончательно решить поставленную задачу. Погрешность измерений координат места по светилам не превышала единиц километров.
Развитие космических технологий привело к возможности создания спутниковых систем позиционирования в пространстве. Такие проекты являлись и остаются очень дорогостоящими, осуществление которых возможно только очень развитым странам, к числу которых относятся США и Америка. Развитием этих идей стало появление американской системы GPS и российской системы ГЛОНАСС.
11
Необходимость и полезность таких систем трудно переоценить. Первоначально они создавались для военных целей, и лишь позднее они стали доступными для
гражданской авиации и флота. В настоящее время услуги систем GPS и ГЛОНАСС являются доступными любому человеку. По личному опыту можно убедиться, как иногда не хватает подобных систем при совершении путешествий ( в незнакомой местности).
Но давайте начнем с истоков. Ещѐ в 1939 году один из основоположников практической космонавтики в СССР, ближайший сподвижник Сергея Павловича Королева Михаил Клавдиевич Тихонравов писал: «Все без исключения работы в области ракетной техники, в конце концов, ведут к космическому полету». Дальнейшие события подтвердили его слова: в 1946 году, практически одновременно с разработкой первых советских и американских баллистических ракет, началась разработка идеи запуска искусственного спутника Земли. 4 октября 1957 года на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли - Спутник-1, запуск которого осуществлялся с космодрома
«Байконур».
Первой спутниковой навигационной системой появившейся на вооружении армии США стала спутниковая навигационная система TRANSIT. В сравнении с современной спутниковой системой NAVSTAR, нами были выделены недостатки этой системы:
- относительно невысокая точность определения координат;
- большие промежутки времени между наблюдениями.
С целью преодоления этих недостатков была создана спутниковая навигационная система нового поколения. Первоначально она получила название NAVSTAR 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.
Запуск первого американского навигационного спутника системы NAVSTAR был произведен 1978 году, в то время как российская система ГЛОНАСС начала формироваться с запуска трех спутников 1982 году. К этому времени на орбитах вокруг Земли вращалось уже 6 американских спутников.
В настоящее время система NAVSTAR включает в себя 28 спутников. На самом деле для покрытия земного шара необходимо только 24 спутника, остальные выступают в качестве запасных. Спутники распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км (по четыре спутника на каждой орбите) и имеют наклон 55° по отношению к экватору.
Они движутся со скоростью около 3 км/с (два оборота вокруг Земли менее чем за сутки).
Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей).
Вес каждого спутника около тонны, а размер с раскрытыми солнечными батареями - около 5 м. Мощность передатчика порядка 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу в течение десяти лет. Новые спутники запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы.
Развитие ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как описано выше - запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества ИСЗ.
Научные основы были развиты в процессе выполнения исследований по теме
"Спутник" (1958—1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий. Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада". В 1979 г.
была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000км,
12
наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5 - 6 мин. Параметры движения этого спутника определялись на основе эффекта Доплера. Эффект Доплера состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний. Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.
Нами была проведена сравнительная характеристика СНС GPS и ГЛОНАСС. Они во многом подобны, но имеют некоторые различия, что хорошо видно из таблицы 1.
Табл.1 Основные характеристики систем GPS и ГЛОНАСС
Характеристики
Количество спутников (проектное) Количество орбитальных плоскостей Количество спутников в каждой плоскости Тип орбиты
Высота орбиты
Наклонение орбиты, град Период обращения
Способ разделения сигналов Навигационные частоты, МГц:
L1 L2
Период повторения ПСП
Тактовая частота ПСП, МГц
ГЛОНАСС GPS
24 24
3 6
8 4
Круговая (S=0+- Круговая 0,01)
19100 км 20200 км 64,8+-0,3 55 (63)
11 ч 15,7 мин. 11 ч 56,9 мин.
Частотный Кодовый 1602,56 — 1615,5 1575,42 1246,44 — 1256,5 1227,6
1 мс (С/А-
1 мс код)
7 дней (Р-код) 1,023 (С/А-
0,511 код)
0,23 (Р,Y-код) Скорость передачи цифровой информации,
50 50
бит/с
Длительность суперкадра, мин 2,5 12,5
Число кадров в суперкадре 5 25
Число строк в кадре 15 5
Погрешность* определения координат в режиме
ограниченного доступа: не указана 18 (P,Y-код)
горизонтальных, м 28 (P,Y-код)
вертикальных, м
Погрешности* определения проекций линейной <200 (С/А- 15 (СТ-код) код)
скорости, см/с
20 (P,Y-код)
Погрешность* определения времени 1000 (СТ-код) 340 (С/А-код)
в режиме свободного доступа, нс — 180 (P,Y-код) в режиме ограниченного доступа, нс
Система отсчета пространственных координат ПЗ-90 WGS-84
Основной задачей навигационных систем является определение местоположения и координат пунктов.
На рис.1 рассмотрим порядок определения местоположения.
(рис. 1) Порядок определения местоположения.
1. Вычислив расстояние от спутника № 1 до приѐмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1.
2. Вычислив расстояние от приѐмника до спутника № 2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения.
3. Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трѐх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования. Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется четвертый спутник.
Наша задача решена.
В настоящее время GPS играет не малую роль в строительстве. Наиболее современные модели GPS оборудования интегрированы с другими устройствами, такими как, эхолоты, трассоискатели, тепловизоры, тахеометры. К примеру, встроенный тахеометр, работающий одновременно с GPS-приемником, позволяет легко определять величину угла, а также строить вертикальные отвесные или горизонтальные линии. На первый взгляд кажется, что использование сложнейших датчиков затрудняет применение прибора, но это не так.
GPS-системы помогают и при разметке линейных инженерных сооружений, как автодороги, железные дороги, ЛЭП, трубопроводы и многое другое.
Использование таких современных приборов, как GPS , позволяет решить следующие задачи:
сокращение времени, необходимого на проведение геодезических работ – все данные собираются и анализируются в режиме реального времени;
повышение точности строительства; снижение количества используемых строительных материалов;
14
сокращение затрат на исправление возможных ошибок – с использованием сверхточных GPS-приборов вероятность их возникновения практически сводится к нулю.
Темой нашей статьи мы выбрали именно GPS, так как с усовершенствованием технологий GPS-технологии находят широкое распространение в строительной отрасли, которая тесно связана с нашей профессией. GPS навигация применяется повсеместно: на суше, в воде и воздухе. Многие слышали о GPS и пользуются им ежедневно. Однако для подавляющего большинства людей это остается лишь технологией, позволяющей определить их местоположение на поверхности Земли. На самом деле, это немного не так, используется эта технология в самых разнообразных сферах: военной отрасли, картографировании, строительстве, геодезии. Поэтому нашей целью было отобразить в этой статье историю возникновения и развития СНС, их составные технические характеристики, достоинства и недостатки каждой системы и сферы их применения.
Использованная литература:
1. Основы спутниковой навигации. Системы GPS, NAVSTAR и ГЛОНАСС.
В.С.Яценков 2005 год.
2. www.kunegin.narod.ru 3. www.ria.ru
4. www.topwar.ru 5. www. geodinamika.ru
