Введення в основи системи GPS

1.

Лекция 8.
Введення в основи системи GPS
Розглянути основні поняття системи GPS, її функціонування і можливі
способи використання .
Мета лекції:
План лекції:
1. Введення в основи системи GPS
2. Система управління рухом автомобільного
транспорту з використанням системи GPS
1

2.

Неавтоматизоване
Автоматизоване
Автоматичне
На сьогоднішній день існує 3
види управління:
До останнього часу в різних СУ автомобільним рухом використовувалося, як
правило, неавтоматизоване управління.
Основні функції управління рухом, режимами роботи двигуна, перевірка
цілісності вантажу і інші здійснювалися водієм. Диспетчер тримав зв'язок з водієм
по телефону (рис.8.1).
В
Дзвінок
Д
Рис.8.1. Неавтоматизоване управління рухом
На сьогоднішній день широке використовування знаходять АСУ рухом
транспорту, які вирішують 2-і основні задачі:
задача попередження наїзду на перешкоди і забезпечення безпеки руху;
задача забезпечення проїзду автомобільного транспорту з однієї точки в іншу
(задача навігації).
Супутникова навігація все частіше входить в АСУ АТ і є її фундаментальною
частиною, оскільки забезпечує безперервність, надійність зв'язку і контролю в
будь-якій точці земної кулі.
2
Що ж собою представляє супутникова навігація і як вона працює
?

3.

2.1. Введение в основы системы GPS
Система Глобального Позиціонування (GPS или Global Positioning System)
є супутниковою і працює під управлінням Міністерства Оборони США. Система є
глобальною, всепогодною і забезпечує можливість отримання точних координат і
часу 24 години на добу.
Як працює GPS ?
Функціонування системи GPS можна розбити на п'ять основних підпунктів:
1. Супутникова трилатерація - основа системи (один із підходів до
визначення координат на місцевості);
2. Супутникова дальнометрія – вимірювання відстаней до супутників ;
3. Точна часова прив’язка – навіщо потрібно погоджувати годинник в
приймачі і на супутнику і для чого потрібен 4-й космічний апарат;
4. Розташування супутників – визначення точного становища супутників в
космосі ;
5. Корекція помилок – урахування помилок вносяться затримками в
тропосфері і іоносфері .
Точні координати точки на поверхні Землі можуть бути обчислені за
вимірами відстаней від групи супутників (якщо їх місцезнаходження в космосі
відоме). У цьому випадку супутники є пунктами з відомими координатами .
3

4.

Визначення місцезнаходження одним супутником.
Припустимо, що відстань R від одного супутника відома і
можна описати сферу заданого радіусу довкола нього (рис.8.2)
Одне вимірювання указує про наявність об’єкту на
поверхні сфери.
Рис.8.2. Визначення
місцезнаходження 1 супутником
Визначення місцезнаходження двома супутниками.
При перетині двох сфер утворюється коло
Якщо відома також відстань і до другого супутника, то
другий вимір вказує на місцезнаходження об’єкту десь в
колі, що задається перетином двох сфер (r та R)
(рис.8.3).
Рис.8.3. Визначення
ісцезнаходження 2 супутниками
Визначення місцезнаходження трьома супутниками.
При перетині трьох сфер утворюється дві точки
Третій вимір указує про місцезнаходження об’єкту на
перетині трьох сфер (дві точки ) (рис.8.4).
Така система дозволяє тільки вибрати правильну точку. Однак
одна з точок завжди може бути відкинута, тому що вона має
високу швидкість переміщення.
Таким чином, знаючи відстань до трьох супутників,
можна обчислити координати заданої точки.
4
Рис.8.4. Визначення
місцезнаходження 3 супутниками

5.

Визначення відстані до супутників
Відстань до супутників визначається за виміром часу проходження радіосигналу
від космічного апарату до приймача (t=tc-tп) помноженому на швидкість світла
(Vc=300000 км/с)
R = Vc * t.
Для того, щоб визначити час розповсюдження сигналу нам необхідно знати коли
він покинув супутник.
Як дізнатися коли сигнал покинув супутник ? (рис.8.5):
t
- приймач і супутник використовують
один код;
від супутника
- приймач і супутник синхронізуються
від приймача
так, щоб вони генерували однаковий
Рис.8.5. Визначення часу покидання сигналу
код одночасно;
- приймачем приймається сигнал коду із супутника і визначається, коли такий же
сигнал покинув приймач;
- вимірюється часова затримка між однаковими ділянками коду (t);
- отримана різниця, помножена на швидкість світла і дає шукане значення.
Кожний супутник GPS передає два радіосигнали: на частоті L1=1575.42 Мгц та
L2=1227.60 Мгц. Сигнал L1 має два кода: «точний» P-код і «грубий» C/A код.
Використовування коду дозволяє приймачу визначити часову
затримку у будь-який час.
5

6.

Точна часова прив'язка.
Як видно із сказаного вище, обчислення напряму залежать від точності ходу
годинника. Код повинен генеруватися на супутнику і приймачі в один і той же час.
На супутниках встановлений атомний годинник точність ходу якого близько однієї
наносекунди. Однак це дуже дорого, щоб встановлювати такий годинник в кожний
GPS приймач, тому вимірювання від четвертого супутника використовуються
для усунення помилок ходу годинника приймача.
Ці вимірювання можна використовувати для усунення помилок, які виникають,
якщо годинник на супутнику і в приймачі не синхронізований.
Коли GPS приймач одержує серію вимірювань, які не перетинаються в одній
точці, то комп'ютер в приймачі починає віднімати (або додавати) час методом
послідовних ітерацій до тих пір, поки не зведе всі вимірювання до однієї точки.
Після цього обчислюється поправка і робиться відповідне порівняння.
При перетині чотирьох сфер одержуємо точку
Таким чином, четвертий вимір точно визначає
місцезнаходження об'єкту на земній кулі (рис.8.6)
Рис.8.6. Визначення часу покидання сигналу
6

7.

Склад систем NAVSTAR і ГЛОНАСС.
Системи NAVSTAR і ГЛОНАСС складаються із трьох
сегментів кожна (рис.8.7): сегмент управління і
контролю; космічний сегмент або сузір'я супутників;
сегмент користувача, що включає приймачі різних типів
(фазові, лінійні).
Рис.8.7. Структура системи GPS
Сегмент управління і
контролю включає:
головну станцію управління
і контролю (в ГЛОНАСС- Центр
управління системою);
станції стеження, розподілені
по всій поверхні Землі;
наземні контрольні станції .
Основними задачами цього сегменту є:
визначення ефемерид
супутників і поправок їх годинника, прогноз орбіт супутників, завантаження
навігаційного повідомлення в пам'ять бортових комп'ютерів супутників та інші,
наприклад, нагляд за підготовкою супутників до запуску, забезпечення запуску
тощо.
Сегмент користувача призначений для визначення координат і
складових вектора швидкості споживача з використанням навігаційного поля
систем. Апаратура військових і прирівняних до них користувачів дозволяє
повністю реалізувати функціональні можливості систем і одержати максимальну
точність. Цивільне устаткування має деякі обмеження і дещо “ урізані ”
можливості.
7

8.

Космічний сегмент.
Система NAVSTAR має 24 супутника (рис.8.8)
з орбітальним періодом в 12 годин на висоті
приблизно 20200 км від поверхні Землі
(ГЛОНАСС період 11 годин 15 хвилин, висота
19100 км.).
В шести різних площинах (ГЛОНАСС- 3 ), що
мають нахил до екватора в 55° (ГЛОНАССРис.8.8. Космічний сегмент
64,8 °), розташовано по 4 супутники
системи GPS
(ГЛОНАСС- 8 ).
Вказана висота необхідна для забезпечення стабільності орбітального руху
супутників і зменшення фактора впливу опору атмосфери.
Порівняльна характеристика космічних сегментів
Показник
Число КА у повному орбітальному угрупуванні
Число орбітальних площин
Число КА у кожній площині
Нахил орбіти
Висота орбіти, км
Період обернення супутника
Система координат
Вага навігаційного КА, кг
Термін активного існування на орбіті, років
Засоби виведення КА на орбіту
ГЛОНАСС
NAVSTAR
Galileo
24 (3)
24 (3)
27 (3)
3
6
3
8
4
9
64,8°
55°
56°
19130
20180
11 ч. 15 мин. 44 с. 11 ч. 58 мин. 00 с.
ПЗ-90
WGS-84
1450
1055
3-10
7,5
8
«Протон-К/ДМ»
Delta-2

9.

8.2. СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ РУХОМ АВТОМОБІЛЬНОГО
ТРАНСПОРТУ З ВИКОРИСТАННЯМ СИСТЕМИ GPS
Сучасні підходи до створення систем управління рухом автомобільного
транспорту допускають широке використовування сучасних методів геодезичних
вимірювань, в першу чергу GPS - технологій.
Супутникова радіонавігаційна система або, як вона ще називається,
глобальна система визначення місцезнаходження об'єкту GPS (Global Position
System) забезпечує високоточне визначення координат і швидкості об'єктів в будьякій точці земної поверхні, у будь-який час доби, в будь-яку погоду, а також точне
визначення часу.
Система управління рухом автомобільного транспорту (СУРАТ) повинна
вирішувати наступні задачі:
контроль поточного місцезнаходження транспортного засобу;
можливість управління як окремим об'єктом, так і групою об'єктів;
отримання інформації про технічний стан транспортного засобу;
організація безпеки руху автомобільного транспорту;
контроль маршруту і параметрів руху автомобільного транспорту;
визначення точного часу початку і закінчення руху маршрутом;
відображення координат об'єктів на планшеті (карті місцевості), а
також зберігання даних для подальшого їх аналізу;
контроль точності виконання водіями поставлених завдань і
проведення аналізу причин їх невиконання (порушення);
складання оптимального маршруту руху автомобільного транспорту;
9
і ряд других задач.

10.

Переважно СУРАТ будуються за приведеним на рис. 8.9 варіантом.
Основною функцією СУРАТ є визначення
місцезнаходження автомобільного транспорту.
Для цього використовуються супутникова система
NAVSTAR GPS (США), яка дозволяє в будь-якому
місці земної кулі і у будь-який момент часу
визначати точні координати, напрям руху і
швидкість транспортних засобів.
Рис.8.9. Одна із схем управління АТ
СУРАТ забезпечує відображення
місцезнаходження транспортних засобів на
екрані комп'ютера диспетчерського центру
(користувача) на електронній карті місцевості
в реальному масштабі часу.
На карті місцевості показується, де перебуває об'єкт, за запитом приводиться
вся інформація про нього, включаючи дані із GPS-приймачів, встановлених на
транспортному засобі.
Окрім координатної інформації по радіозв'язній лінії можуть передаватися
сигнали різних датчиків, встановлених на автомобілі і інша інформація.
10

11.

Можливості системи:
диспетчер відстежує в реальному часі переміщення всіх автомобілів;
на електронній карті виділяються зони, при попаданні автомобілів в
які подається сигнал диспетчеру;
при відхиленнях автомобілів від заданого маршруту у диспетчера
спрацьовує сигналізація;
з диспетчерського пульта контролюється показник датчиків,
встановлених на кожній рухомій одиниці: паливних, температурних,
несанкціонованого розкриття контейнерів, перевертання автомобіля, включення
“ мигалки ” і тому подібне;
стандартні повідомлення водія можуть бути запрограмовані так, що
при натисненні відповідної кнопки в автомобілі до диспетчера поступає
інформація типу: “пробка на дорозі”, “потрапив в аварію”, “затриманий міліцією”,
“напад”, “захоплення”. Ці повідомлення при необхідності легко кодуються і
можуть використовуватися у випадках, коли потрібно дотримувати
режим радіомовчання.
По команді з диспетчерського пункту блокується система запалення,
двері салону автомобіля і контейнера.
У кабіні автомобіля може бути встановлений спеціальний бортовий
комп'ютер, що працює в режимі терміналу. Окрім текстових повідомлень
між водієм і диспетчером передаються спеціальні форми (накладні,
маршрутні листи тощо).
Моделюючі можливості ГІС диспетчера дозволяють
11
оптимізувати маршрути доставки вантажів з урахуванням різних
факторів.