Внедрение системы спутникового мониторинга транспорта на примере организации

• Введение
• 1. Спутниковые системы радиоместоопределения
• 1.1 Ретроспективный анализ систем радиоместоопределения
• 1.2 Оптимальная структура спутниковых систем местоопределения автотранспорта
• 1.3 Анализ систем мониторинга автотранспорта GSM и Глонасс
• 2. Спутниковая радионавигационная система Глонасс
• 2.1 Общие сведения о системе
• 2.2 Особенности использования Глонасс на транспорте
• 3. Расчет производственной программы ГУП РМЭ «Пассажирские перевозки»
• 3.1 Общая характеристика ГУП РМЭ «Пассажирские перевозки»
• 3.2 Расчет основных показателей работы подвижного состава
• 4. Разработка мероприятий по внедрению системы мониторинга автотранспорта на ГУП РМЭ «Пассажирские перевозки»
• 5. Безопасность жизнедеятельности при внедрении и использовании системы мониторинга «WEB-GPS/GSM-Глонасс/GSM»
• 5.1 Организационно-правовые основы охраны труда
• 5.2 Инструкция по технике безопасности при проведении работ по установке GPS-глонасс/GSM передатчиков на транспортное средство
• 6. Технико-экономическое обоснование проекта
• 6.1 Основные понятия инвестиционной деятельности
• 6.2 Определение стоимости комплекса мероприятий по внедрению системы мониторинга
• 6.3 Расчет экономической эффективности
• Заключение
• Список используемой литературы

На данном этапе развития мировой экономики автомобильный транспорт для большинства стран является основным видом внутреннего транспорта и ключевым элементом транспортной системы. В России автомобильный транспорт сильно влияет на развитие социально-экономической сферы. Автомобильному транспорту нет адекватной замены при перевозке на средние и малые расстояния или, например, пассажирских перевозок в пределах населенного пункта.

Процесс автомобилизации нашей страны не должен ограничиваться только увеличением парка автомобилей, он так же вызывает необходимость решения ряда вопросов, направленных на дальнейшее развитие материально-технической базы и повышения эффективности эксплуатации.

Задача повышения эффективности капитальных вложений и снижения издержек является частью проблемы рациональной организации автомобильного транспорта и охватывает широкий круг эксплуатационных и технологических вопросов. Решение этой задачи обеспечивается в первую очередь качественным управлением производственным процессом, которое в значительной мере предопределяет рациональное использование основных фондов и высокую эффективность капитальных вложений.

В настоящее время появились новые, современные возможности контролировать и планировать деятельность АТП, доступные широкому кругу пользователей автоматизированные системы мониторинга автотранспорта способны обеспечить выполнение самых разных задач в режиме реального времени.

Управление транспортом в режиме он-лайн, дает уникальную возможность всегда иметь точную и достоверную информацию о реальном местоположении и маршрутах движения транспорта. Появляется возможность сверить маршрутные листы с реальным маршрутом отображаемым на географической карте, с отчетом на котором перечислены точки маршрута, либо с полным списком пройденных адресов. Можно легко сделать выводы о нецелевом использовании транспортных средств, принадлежащих компании (доставка «левых» грузов, отклонение от маршрутов, использование служебного транспорта в личных целях), или о кражах и повреждении груза, топлива.

Этих и других возможностей позволяет достичь использование глобальных навигационных систем «WEB-GPS/GSM-Глонасс/GSM» .

Целью написания дипломного проекта является разработка плана мероприятий по повышению эффективности функционирования АТП ГУП РМЭ «Пассажирские перевозки» путем внедрения системы мониторинга «WEB-GPS/GSM-Глонасс/GSM» .

1. Спутниковые системы радиоместоопределения

1.1 Ретроспективный анализ систем радиоместоопределения

Спутниковые системы радиоместоопределения — сравнительно новая, быстро развивающаяся ветвь навигации или отслеживания перемещения подвижных объектов.

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.

Эффект Допплера (по имени австрийского физика К. Допплера) 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. В то же время первое научно обоснованное предложение об использовании ИСЗ для навигации родилось в Ленинграде еще до запуска первого советского ИСЗ, в период проведения под руководством проф.В. С. Щебшаевича в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А. Ф. Можайского в 1955;1957 гг. исследований возможностей применения

радиоастрономических методов для самолетовождения. Материалы исследований докладывались в октябре и декабре 1957 г. на межведомственной конференции и семинаре.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме «Спутник» (1958;1959 гг.), которые осуществляли Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР, два морских НИИ и Горьковский НИРФИ. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике и расчетам орбит. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности 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» .

" Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, 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.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Большой вклад в повышение точности эфемерид навигационных спутников внесли результаты работ по программе геодезических и геофизических исследований с помощью специальных геодезических спутников «Космос-842» и «Космос-9П», которые были выведены на навигационные орбиты.

Это позволило уточнить координаты измерительных средств и вычислить коэффициенты согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину «70…80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80…100 м.

Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры «Шхуна» и «Челн». Последняя имеет возможность работы и по спутникам американской радионавигационной системы «Транзит» .

В дальнейшем спутники системы «Цикада» были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками системы «Цикада» и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).

Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники «Цикада» образуют системы «Коспас». Совместно с американо-франко-канадской системой «Сарсат» они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечивать потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных координат беззапросным методом требуется проведение измерений навигационного параметра не менее чем до четырех спутников, при этом одновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных часов относительно шкалы времени спутниковой системы.

Исходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиовидимость потребителей, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутников, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и к уменьшению необходимого количества спутников в системе). Для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников, их количество в системе должно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольких спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10…15 м.

Проблемой создания высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников.

Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутников потребовало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок и газоотделением материалов покрытий. Для экспериментального определения параметров геопотенциала на орбиты навигационных спутников были запущены два пассивных ИЗС «Эталон» («Космос-1989» и «Космос-2024»), предназначенных для измерения параметров их движения высокоточными квантово-оптическими измерительными средствами. Благодаря этим работам достигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30 ч составляет: вдоль орбиты — 20 м; по бинормали к орбите — 10 м; но высоте 5 м (СКО).

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника «Космос-1413» .

В настоящее время, из анализа выступлений некоторых руководителей и высокопоставленных чиновников можно заключить, что они не располагают достоверными данными о проблемах ГЛОНАСС, путях и сроках их решения. Так в марте 2006 года НПО прикладной механики (основной разработчик навигационных космических аппаратов) опубликовало следующий план по производству и запуску модернизированных КА «ГЛОНАСС-М» с гарантированным сроком функционирования на орбитах не менее 7 лет: в 2006 г. — 3 КА, в 2007 и 2008 гг. — по 6 КА, в 2009 г. — 3 КА. С 2010 г. предполагается пополнение орбитальной группировки аппаратами последующей модификации «ГЛОНАСС-К» с гарантийным сроком функционирования не менее 10 лет.

14 июля 2006 г. было подписано постановление правительства РФ о корректировке Федеральной целевой программы ГЛОНАСС, где в дополнение к плану НПО ПМ предусмотрен запуск в 2009 г. не трех, а шести КА.

При условии выполнения постановления правительства, к концу 2007 года на орбитах должно функционировать 17 КА. Из них: 13 КА «ГЛОНАСС-М» и, возможно, 4 КА «ГЛОНАСС» первой модификации, а к началу 2010 года орбитальная группировка (ОГ) может быть доведена до 25 КА «ГЛОНАСС-М» .

Но этого количества КА для надежного решения задач Минобороны недостаточно. Дело в том, что в период эксплуатации спутниковых систем позиционирования (ГЛОНАСС, GPS) наземные комплексы управления вынуждены периодически выводить часть КА из состава ОГ на плановое и неплановое обслуживание. К сожалению, на данном этапе количество выводимых КА из состава ОГ ГЛОНАСС велико. Например, случайная выборка: 7 октября 2006 г. из состава ОГ, включающей 16 КА, функционировало только 10 КА, а 16 декабря — 11 КА. В период 1994;1995 гг., по официальным данным, ОГ ГЛОНАСС составляла 24 КА. Фактически ни одного дня ОГ не функционировала в полном составе. Поэтому необходимо на каждой из трех орбит ГЛОНАСС иметь 1−2 запасных КА.

Исходя из этого, есть необходимость обеспечить запуск в 2008 и 2009 гг. по 8 КА «ГЛОНАСС-М». Тогда к началу 2010 года ОГ ГЛОНАСС составит 29 аппаратов, что обеспечит возможность постоянного функционирования на орбитах 24 КА. Считаю этот план реальным. Подтверждением этого можно считать заявления в СМИ генерального конструктора и руководителя НПО ПМ Н. А. Тестоедова о четкой и активной работе по производству КА и заявление руководителя Роскосмоса А. Н. Перминова о возможности заключения соглашения с Индией об использовании индийских ракетоносителей для дополнительных запусков КА для восполнения ОГ ГЛОНАСС.

Следует отметить, что ОГ GPS составляет 29−30 КА, такой же состав ОГ планируется на европейской системе «Галилео» и китайской «Бэйдоу» .

В связи с увеличением состава КА на орбитах, крайне необходимо развитие и совершенствование всего комплекса технических средств, наземных измерительных пунктов и Центра управления космических войск с целью обеспечения надежного и своевременного обслуживания навигационных КА и контроля целостности орбитальной группировки ГЛОНАСС.

25 декабря 2005 с космодрома «Байконур» на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» были запущены один спутник «ГЛОНАСС» и два спутника «ГЛОНАСС-М» с увеличенным ресурсом эксплуатации.

26 декабря 2006 состоялся вывод на орбиту ракетой-носителем «Протон-К» трех спутников «ГЛОНАСС-М» .

26 октября 2007 ракета-носитель «Протон-К» стартовал с «Байконура» и вывела на околоземную орбиту три модифицированных спутника «ГЛОНАСС-М» .

25 декабря 2007 с космодрома «Байконур» стартовала ракета-носитель «Протон-М» и вывела на орбиту три спутника «ГЛОНАСС-М». Одновременно 4 спутника, запущенные в 2001;2003 годах, были выведены из группировки.

25 сентября 2008 запуск ракеты-носителя «Протон» с тремя спутниками «ГЛОНАСС-М», 1 спутник, запущенный ранее — на этапе вывода из состава ОГ.

25 декабря 2008 после успешного пуска с космодрома «Байконур» ракеты-носителя «Протон-М» 3 космических аппарата «ГЛОНАСС-М» успешно отделились от разгонного блока и начали автономный полет.

В настоящее время орбитальная группировка состоит из 20 спутников, полная группировка в составе 24-х спутников в соответствии с Федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система» должна быть развернута в 2010 году.

В настоящее время состав орбитальной группировки еще не обеспечивает 100-процентную доступность услуг ГЛОНАСС на территории страны, однако количество видимых над горизонтом в России спутников ГЛОНАСС, как правило, равняется трем или более. По заявлениям продавцов навигационного прибора Glospace, для определения местоположения достаточно трех видимых спутников ГЛОНАСС, а четвертый дает уточнение о высоте. Отсюда нетрудно сделать вывод, что для ориентирования наземных пользователей (автоводителей, грибников, туристов и т. п.) система вполне пригодна прямо сейчас, хотя при самолетовождении еще могут возникать определенные трудности.

Спутники «ГЛОНАСС-М» в составе орбитальной группировки будут находиться, как минимум, до 2015 года. Летные испытания негерметичных спутников нового поколения «ГЛОНАСС-К» с улучшенными характеристиками (увеличенным до 10 лет гарантийным сроком и третьей частотой L-диапазона для гражданских потребителей) должны начаться в 2010 году. Этот спутник будет вдвое легче своего предшественника (примерно 850 кг против 1415 кг у «Глонасс-М»)

В дальнейшем, после развертывания орбитальной группировки из 24-х космических аппаратов, для ее поддержания потребуется делать по одному групповому пуску в год двух КА «ГЛОНАСС-К» на носителе «Союз», что существенно снизит эксплуатационные расходы.

С 1 января 2006 г. все вновь вводимые в эксплуатацию транспортные средства, включая самолеты, суда, наземный транспорт, геодезическое оборудование и космические аппараты, — должны в обязательном порядке оснащаться аппаратурой спутниковой навигации отечественной системы ГЛОНАСС или комбинированными приемниками ГЛОНАСС/ GPS. Согласно постановлению правительства РФ от 9 июня 2005 г. приемниками ГЛОНАСС должны быть оборудованы находящиеся в эксплуатации транспортные средства. По мнению представителей «Роскосмоса», эти меры являются разумными и призваны защитить отечественный рынок пользовательской аппаратуры глобальной спутниковой навигации. С другой стороны, эти системы в первую очередь направлены на решение задач национальной безопасности, поскольку глобальная спутниковая навигационная система играет важнейшую роль в обеспечении применения высокоточного оружия дальнего радиуса действия. Вместе с тем, будущее системы ГЛОНАСС предстает далеко не в безоблачном свете.

Опасения вызывает отсутствие на рынке конкурентоспособных отечественных приемников ГЛОНАСС, а также конкретных планов развертывания ее массового производства.

В начале 70-х годов в США были начаты работы по созданию СРНС второго поколения — GPS/''Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993 г. А между тем все начиналось так: в ноябре 1913 в Австрии под именем Хедвиг Ева Мария Кислер родилась будущая актриса Хеди Ламар. Еврейская девочка выросла в период расцвета Третьего рейха. Как и другие евреи, она вела образ жизни хамелеона: имела несколько имён, представлялась той личностью, которую требовали обстоятельства. Приходилось хранить многое в тайне и постоянно ходить по лезвию бритвы. В общем, её детство нельзя было назвать счастливым. Запутанная жизненная тропа привела Ламар к закладке одной из основ военной мощи Соединённых Штатов — спутниковой системы глобального позиционирования (Navstar Global Positioning System — GPS). Сегодня эта сеть состоит из тридцати спутников, движущихся по орбите высотой 20 180 километров. Скорость каждого спутника составляет около 11 тысяч километров в час, что позволяет облетать Землю дважды за сутки. Чтобы понять, как работает эта система, напоминающая атомную модель Резерфорда-Бора, давайте начнём с рассмотрения мотивов и переплетений судьбы, которые привели известную актрису к столь важному открытию.

В молодости (в 1933 году) славу актрисе принёс чехословацкий фильм, в котором присутствовала сцена с обнажённой Ламар. Кроме того, она стала первой актрисой, имитировавшей в фильме оргазм. И хотя это был всего лишь хитрый трюк (Ламар во время съёмок укалывала себя английской булавкой), актриса вызвала негодование со стороны Церкви. Сегодня подобными сценами никого не удивишь, но в то время это было слишком вызывающе. Поэтому родители Ламар быстро устроили свадьбу актрисы с магнатом по имени Фриц Мандл, связанным с теневым оружейным бизнесом. Он стал первым из шести её мужей, и, вы не поверите, он производил патроны, гранаты и военные самолёты для Гитлера, несмотря на еврейское происхождение семьи. Мандл был словно зачарован Ламар, он не отходил от неё ни на шаг, возил везде с собой: от встреч с Гитлером и Муссолини до визитов в свои военные лаборатории. Он никогда не выпускал её из виду. Многие считали Ламар недалёкой женщиной, но, как показала судьба, они ошибались. Хотя она не имела высшего образования, актриса быстро вникла в принцип действия систем наведения и противокорабельного оружия, после чего спрятала эти данные, включая секретные системы шифрования, в будущем изобретении которых она участвовала.

Естественно, Ламар ненавидела Гитлера и нацистов, но больше всего она ненавидела Мандла. Она поклялась сделать всё, что в её силах, чтобы уничтожить фашизм и «насолить» Фрицу.

Хеди Ламар предприняла много попыток сбежать от Фрица, и в один прекрасный день она подложила снотворное в кофе служанке, назначенной следить за ней, надела служебную одежду и сбежала из замка под видом прислуги. Вскоре она переехала в Соединённые Штаты, в Голливуд, с далеко идущими планами. Она принимала участие во многих кампаниях против фашистов, например, целовала любого мужчину, кто потратил $ 25 000 на военные облигации, собрав в результате $ 17 миллионов. Её популярность и могущество росло не по дням, а по часам.

Судьба познакомила Ламар с авангардистским композитором Джорджем Антейлом, который жил неподалёку. Антейл не боялся экспериментировать. Он отличился своим Ballet Mecanique, странным и громким оркестровым представлением, в котором участвовали пропеллеры, колокола и 16 синхронизированных пианол. Реакция была в те дни неоднозначной. И, подобно синхронизированным пианолам в механической симфонии, вместе с Ламар он разработал идеи, которые, в конце концов, привели к важному изобретению.

Ламар узнала много секретов во время вечеринок, которые Мандл проводил для своих друзей и партнёров, а также из наблюдений за бизнесом Мандла по производству оружия. Она поделилась с Антейлом очень важной идеей: если дистанционно сообщать координаты цели управляемой торпеде по одной контрольной частоте, то враг может легко перехватить сигнал, заглушить его или перенаправить торпеду на другую цель. Но на этом Ламар не остановилась. Она хотела дать своей второй родине военное преимущество. Ламар желала создать управляемые торпеды, которые нельзя будет перехватить или заглушить. Ламар и Антейл вскоре разработали следующий важный компонент: если использовать на передатчике случайный код, который будет менять канал передачи, то можно синхронизировать такие же частотные переходы и на приёмнике. Такая смена каналов связи гарантирует безопасную передачу информации. До того времени псевдослучайные коды использовались для шифровки информации, передаваемой по неменяющимся открытым каналам связи. Здесь же произошёл шаг вперёд: секретный ключ стал использоваться для быстрого изменения каналов передачи информации.

В августе 1942 Ламар и Антейл получили патент под номером 2 292 387 «Секретная система связи». Патент описывает секретные системы связи, включающие передачу ложных каналов на разных частотах. Этот патент стал основой для связи с расширенным спектром, которая сегодня используется повсюду, от мобильных телефонов до WiFi 802.11 и GPS. Американская система глобального позиционирования (United States Navstar Global Positioning System) — это, бесспорно, самая большая система в мире, беспрерывно передающая сигналы с расширенным спектром. Это одна из самых значимых технических разработок двадцатого века, и, в принципе, одна из основ современной военной мощи США. Сегодняшние передовые технологии в долгу у великолепной Хэди Ламар.

Давайте вернёмся в настоящее время и прольём больше света на технологию GPS, пытаясь разобраться в том, как разработки Ламар и Антейла связаны с устройствами, которые мы видим сейчас.

Традиционный метод передачи информации заключался в максимальном наполнении доступного частотного диапазона канала. Одним из любопытных качеств связи с расширенным спектром является то, что, при прежней мощности передаваемого сигнала та же самая информация распределяется на несколько частотных каналов. Если частоты разбросаны достаточно широко, то сигнал может раствориться в шуме и остаться незамеченным.

При использовании передачи с расширенным спектром приходится отделять нужную информацию от шума. Представьте себе, что в песочнице зарыли горсть перца. Кажется, что перец безвозвратно потерян в таком количестве песка. Но если знать, где именно зарыт перец, можно аккуратно откопать его.

В технологии передачи с расширенным спектром для определения последовательности перехода сигнала по частотам используется секретный код. В технологии GPS этот секретный код называется C/A. Сигналы, передаваемые с помощью кодов C/A, похожи на случайный шум, поэтому коды также называют и псевдослучайными (PN codes), но в нашем материале, посвящённом потребительским GPS-устройствам, мы будем называть их C/A. Изначально для работы Navstar Global Positioning System было определено и опубликовано 32 кода C/A. Каждый из этих уникальных кодов привязывается к определённому спутнику на протяжении его времени жизни. У каждого приёмника GPS есть копия этих кодов C/A, поэтому он может держать связь со спутниками и расшифровывать передаваемый поток данных.

Если вы будете ловить частоты в той последовательности, которая описана кодом C/A, то вы сможете получить островок полезной информацию в океане шума. Если вы попытаетесь расшифровать эфир с помощью неверного кода, или код окажется верным, но вы потеряете синхронизацию, то поиски нужной информации ни к чему не приведут — вы получите один лишь шум.

На одном частотном диапазоне может передаваться несколько совершенно разных каналов с данными, но их можно разделить и восстановить. В системе GPS сигнал транслируется на одном частотном диапазоне, но использует разные коды C/A, причём, с одной стороны они шифруют информацию, а с другой стороны «разбрасывают» сигнал по частотному диапазону. На орбите находится большое количество спутников, которые передают данные на одних и тех же частотах, но GPS-приёмник может выделить в сигнале информацию с отдельных спутников. Поэтому GPS-приёмники могут получать информацию от нескольких спутников, имея всего одну антенну.

Благодаря технологии расширенного спектра, каждый спутник использует собственный код C/A для шифрования потока данных и разброса его по частотам. Данные модулируются и, в соответствии с кодом C/A, «разбрасываются» в пределах 1-МГц полосы относительно несущей частоты GPS L1 (1575,42 МГц). Можно представить вещание спутников по аналогии с зашифрованными пакетами TCP/IP, пакеты разных потоков данных перемешаны между собой, причём коды C/A в данном случае используются не только для выборки нужных пакетов среди других, но и для задания последовательности, в которой следуют пакеты. GPS-приёмник, таким образом, постоянно сканирует эфир и использует набор из 32 возможных паролей, чтобы расшифровать данные.

Современные технологии передачи GPS работают несколько по-другому. Код используется уже не для смены частотных каналов, поскольку GPS передаёт все данные на одной частоте 1575,42 МГц. Код C/A используется для модуляции несущей частоты в пределах 1 МГц. Поток навигационных данных генерируется на частоте 50 Гц (50 бит/с), поэтому его можно легко распределить в пределах 1-МГц частотного диапазона.

Спасибо Альберту Эйнштейну за его теорию относительности, в частности факту, что при высокой скорости движения ход часов меняется. Поскольку каждый GPS-спутник на орбите, по существу, является атомными часами, они должны корректироваться с учётом релятивистской теории относительности. По сравнению с часами на земле, GPS-часы замедляются разницей в скорости. Впрочем, благодаря правильным расчётам этот эффект можно нивелировать. Ход часов на орбите оказывается на 446,47 в 1012 медленнее. Представьте 2-ГГц процессор Intel Core 2 Duo на орбите: его реальная скорость будет меньше на 1 такт. Чтобы система GPS работала, спутники должны быть синхронизированы. Чем больше ошибок будет предупреждено, тем более точное определение мы получим.

Чтобы технология с расширенным спектром работала, приём и передача сигнала должны синхронизироваться, используя один и тот же код. В своё время Ламар и Антейл предлагали синхронизировать передачу с помощью механических часов на обоих концах системы, но в современной системе GPS используются специальные корреляторы. Корреляторы, по существу, и связывают теорию Ламар о передаче в расширенном спектре с современной технологией глобального позиционирования. Как? Коррелятор — это алгоритм, который автоматически синхронизирует процесс расшифровки в GPS-приёмнике с процессом шифрования на спутнике. Во время настройки на спутники процесс синхронизации GPS-приёмника на множественные одновременные передачи с группы спутников корректирует небольшие относительные различия в синхронизации. Они связаны с расстоянием между спутниками и приёмником.

Способы синхронизации, предложенные Ламар, для современных систем не подходят. Используются более тонкие механизмы. Однако, как только синхронизация будет достигнута, придётся учитывать задержку, с которой сигнал от спутника доходит до GPS-приёмника. И эта задержка напрямую превращается в расстояние.

Учитывая релятивистскую теорию Эйнштейна, система GPS синхронизирует часы. Ваш GPS-приёмник тоже пытается вычислить «системное» время GPS внутри себя. Но даже если спутники будут передавать пакеты в одно время, расстояния до них разные, поэтому и задержка, через которую пакеты достигнут приёмника, тоже будет разная. Корреляторы позволяют синхронизировать разные коды C/A с передачей данных соответствующими спутниками. Задержка у каждого спутника будет своя, поэтому и относительное временное смещение кода C/A по сравнению с «системным» временем будет для каждого спутника своим. Представьте себе обычную локальную сеть. Время ping-запроса позволяет оценить, насколько клиент расположен ближе или дальше. И задержки коррелятора тоже напрямую связаны с расстоянием до конкретного спутника.

Как можно видеть, коррелятор в приёмнике сдвигает копию одного из 32 возможных кодов C/A. Сдвинув код C/A на один шаг, коррелятор проверяет, появляются ли точные данные. Когда сдвиг кода C/A даст нужную информацию, данные считаются полученными. Для определения, информация это или «мусор», коррелятор использует специальные алгоритмы. После корреляции можно расшифровать навигационные данные Корреляция хороша тем, что позволяет узнать примерное расстояние до спутника. А, зная расстояние до 4 спутников, можно высчитать ваше положение на Земле.

Каждый пользователь GPS-приёмников знает, что на определение координат требуется время. Это, увы, недостаток GPS. Некоторые устройства настраиваются быстрее других, но какое-то время всё равно требуется. Как мы теперь знаем, корреляторы позволяют выровнять код C/A передатчика с кодом C/A приёмника. Вообще, механизм действия коррелятора очень напоминает атаку хакера: коррелятор пытается дешифровать сигнал методом подбора кода. Чем больше корреляторов работают параллельно, тем быстрее будет находить координаты GPS-приёмник. У GPS-чипсетов SiRF Star II и III используется 2 000 и 200 000 корреляторов, соответственно. Последние чипсеты uBlox Antaris 5 GS используют более миллиона корреляторов. Правило простое: чем больше корреляторов, тем быстрее будут найдены координаты.

Благодаря актрисе Хеди Ламарр несколько десятилетий назад были заложены основы передачи данных с расширенным спектром. Навигационная система Navstar (GPS) является самым большим излучателем с расширенным спектром, поскольку она покрывает каждый сантиметр нашей планеты. Даже несколько пугает, поскольку из-за расширенного спектра энергия сигнала размывается по столь широкому диапазону, что оказывается даже ниже фонового шума нашей вселенной. Благодаря корреляторам и сдвигу кодов C/A в поисках соответствия со спутником, можно рассчитать расстояние до разных спутников. Синхронизированные по времени барабаны пианол, которые использовали Хеди Ламарр и Джордж Антейл, являются своеобразным прообразом современных систем корреляции. Поэтому мы вряд ли ошибёмся, назвав Хеди Ламарр одним из изобретателей, заложивших основы современной системы GPS.

1.2 Оптимальная структура спутниковых систем местоопределения автотранспорта

В настоящее время у многих ведомств и организаций возникает необходимость оперативного слежения за местоположением и состоянием подвижных объектов, а также передачи на них оперативной информации.

Практически все заинтересованные диспетчерские службы в настоящее время имеют в своем распоряжении те или иные технические средства, позволяющие осуществлять контроль/слежение за передвижением своих объектов. Однако существующие средства не являются совершенными, обладают малой степенью автоматизации и имеют малую достоверность.

В последние годы настоятельно ставится задача о внедрении новых надежных технических средств, которые позволили бы осуществлять автоматизированный сбор диспетчерской информации с подвижных объектов, а также передавать информацию на объекты. Технически эта задача может быть выполнена целым рядом средств, как традиционных, так и спутниковых. На практике, однако, ни одна из возможных систем так и не была реализована на территории России.

Создание такой системы позволит обеспечить автоматизированный сбор информации о дислокации подвижных объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости от их местоположения на Земном шаре, т. е. в глобальном режиме. При этом средства системы будут автоматически вычислять географические координаты местоположения объектов и направлять их в соответствующие диспетчерские пункты пользователей. Информация может быть также запрошена с объекта по инициативе диспетчера из диспетчерского пункта и имеется возможность передать на объект необходимую информацию.

Средства системы позволяют не только решать коммерческие цели управления, но и обеспечат повышение безопасности движения объектов и будут способствовать охране человеческой жизни. Данные о дислокации аварийных объектов могут быть переданы в соответствующие поисково-спасательные службы.

Изучения, проведенные в России показали, что имеются следующие основные категории потенциальных пользователей, заинтересованные в получении оперативной информации с подвижных и стационарных объектов:

1. Администрации, эксплуатирующие автомобильный транспорт.

2. Организации, эксплуатирующие подвижной железнодорожный состав и специальные средства.

3. Организации, эксплуатирующие подвижные автомобильные объекты.

4. Научные организации, проводящие с помощью подвижных технических средств изучение окружающего пространства.

5. Организации, эксплуатирующие магистральные трубопроводы и иные удаленные объекты.

6. Предприятия топливно-энергетического комплекса.

7. Сельскохозяйственные предприятия.

8. Коммерческие структуры.

Анализ требований потенциальных пользователей к системам сбора оперативной информации позволил выявить следующее:

1. Необходимость автоматического определения географического местоположения объекта, не требующего вмешательства оператора в работу оконечного устройства. При этом требования к точности определения местоположения варьируются от нескольких метров до десятков километров. Некоторые категории объектов движутся по строго определенным маршрутам (поезда, автомобили), в то время, как другие имеют большую свободу перемещений.

2. Требования к оперативности доставки информации от оконечного устройства до пункта сбора данных пользователя изменяются от нескольких минут до нескольких часов.

3. Количество определений — от нескольких раз в месяц до нескольких раз в час.

4. Возможность передачи дополнительной информации с подвижного объекта и на объект. При этом выявлен достаточно широкий диапазон информации, подлежащей передачи.

5. Наличие простых и недорогостоящих оконечных устройств пользователей, которые при необходимости могли бы работать от автономных источников питания.

В использовании системы слежения за местоположением подвижных объектов проявили заинтересованность ряд ведомств и организаций (МВД, МПС и др.). Отдельно стоит отметить заинтересованность в приобретении средств мониторинга автотранспортными предприятиями.

Система должна обеспечивать возможность слежения за передвижением ценных грузов, легкового автотранспорта и других подвижных объектов в реальном масштабе времени с точностью определения местоположения до 50 метров, а также получения от объектов аварийной информации.

В состав системы должны входить главный и региональные диспетчерские центры, в которые информация от объектов должна поступать одновременно.

Должна быть предусмотрена возможность запросов о местоположении и состоянии объектов из диспетчерских центров, а также передача на них информации.

Тип передаваемой информации — цифровой.

Терминалы, устанавливаемые на подвижные объекты, должны быть устойчивы к вибрационным воздействиям, иметь малые габариты, вес (не более 1 — 1,5 кг) и энергопотребление. Электропитание должно осуществляться от автономного источника.

Необходимо предусмотреть возможность автоматического срабатывания терминалов в аварийных ситуациях.

Терминалы должны обеспечивать бесперебойную работу в диапазоне температур от — 50 до +50 С при влажности воздуха при 30 С — 99%.

Антенны терминалов должны иметь малые габариты и обеспечивать бесперебойную связь при скорости ветра до 30 м/сек.

1.3 Анализ систем мониторинга автотранспорта GSM и Глонасс

Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия. Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS — на средних.

Таблица 1. Основные характеристики навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Вывод: необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии является значительной помехой для системы Глонасс. Так же при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25−30м, а в дифференциальном режиме — превышают 10 м; при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации, однако при этом к 2011 году погрешность определения координат уменьшится до всего 1 метра (благодаря увеличению числа спутников; сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат в настоящее время практически решена. Уже существуют приемники, работающие в обоих режимах. Такие приемники, одновременно работающие с сигналами ИСЗ GPS и ГЛОНАСС, в Украине изготавливаются на ГП «Оризон» (г. Смела), кроме того налажено и активно развивается их производство в России.

2. Спутниковая радионавигационная система Глонасс

2.1 Общие сведения о системе

Отечественная сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения, вектора скорости движения, а также времени космических, авиационных, морских и наземных потребителей в любой точке Земли или околоземного пространства. В настоящее время она состоит из трех подсистем:

подсистема космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников ГЛОНАСС на соответствующих орбитах;

подсистема контроля и управления (ПКУ), состоящая из наземных пунктов контроля и управления;

аппаратуры потребителей (АП).

Считается, что возможности существенного повышения точности навигационных определений связаны с созданием глобальной системы отсчета, использующей самоопределяющиеся навигационно-геодезические спутники без привлечения измерений с поверхности Земли.

Система ГЛОНАСС с полностью развернутой группировкой НС характеризуется вероятностью обеспечения навигационных определений

не хуже 0,947 в непрерывном навигационном поле. Точностные характеристики определения плановых координат, высоты и времени равны соответственно 30 м, 30 м и 1 мкс, а доступность системы — 0,98).

Информация, передаваемая потребителям ГЛОНАСС в составе служебной информации конкретного НС, содержит координаты фазового центра передающей антенны данного НС в геоцентрической системе координат. Эта система координат также как и принятая в СРНС СРS система координат WGS-84 относится к декартовым системам типа ЕСЕР (Еаrth-сеntеred Еаrth-fixed, т. е. начало координат расположено в центре масс Земли и направления осей связаны с Землей). До 1993 г. в СРНС ГЛОНАСС использовалась система координат СГС-85.

Частотно-временное обеспечение реализуется системой синхронизации ГЛОНАСС, которая обеспечивает формирование единой системной шкалы времени, синхронизацию БШВ (бортовых шкал времени) каждого с СШВ. расчет частотно-временных поправок (ЧВП). определение расхождения СШВ относительно шкалы Государственного эталона координированного всемирного времени UТС (SU), расчет поправок к СШВ, закладку поправок на борт НС (дважды в сутки) для передачи их потребителям в составе навигационного сообщения.

Частотно-временные поправки рассчитывают на каждом витке НС в виде двух параметров линейной аппроксимации расхождения БШВ относительно НС на тридцати — (шестидесяти) минутном интервале и закладываются дважды в сутки (ориентировочно каждые 12 ч) на борт каждого НС.

Шкала времени каждого спутника ГЛОНАСС может эпизодически подвергаться коррекции с целью того, чтобы отличие этой шкалы от шкалы времени центрального хронизатора не превышало + 1 нс. В этом случае и течение времени, необходимого наземному комплексу для проведения сверки и формирования поправок, в навигационном сообщении передаются признаки, запрещающие использование лого спутника для целей навигации.

Шкала системного времени в ГЛОНАСС корректируется одновременно с коррекциями на целое число секунд шкал UТС (SU), проводимыми Службой Всемирного времени. Коррекции шкал UTС необходимы для их согласования с астрономической шкалой UT1 всемирного времени. Указанная коррекция СШВ ГЛОНАСС осуществляется в 00 ч 00 мин 00 с в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 декабря на 1 января. О планируемом проведении секундной коррекции СШВ ГЛОНАСС сообщается заблаговременно.

Наземный сегмент системы ГЛОНАСС — подсистема контроля и управления, предназначена для контроля правильности функционирования, управления и информационного обеспечения сети спутников системы ГЛОНАСС, состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой ГЛОНАСС; центральный синхронизатор; контрольные станции; система контроля фаз; квантооптические станции; аппаратура контроля поля.

Наземный сегмент выполняет следующие функции:

проведение траекторных измерений для определения и прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников;

временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников с системной шкалой времени ГЛОНАСС, синхронизация спутниковой шкалы времени с временной шкалой центрального синхронизатора и службы единого времени путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени спутников

формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к бортовой шкале времени каждого спутника и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров

передача (закладка) массива служебной информации, в память ЭВМ каждого спутника и контроль за его прохождением

контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния

контроль информации в навигационных сообщениях спутника, прием сигнала вызова ПКУ

управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи на спутники временных программ и команд управления; контроль прохождения этих данных; контроль характеристик навигационного поля

определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора

планирование работы всех технических средств ПКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами ПКУ

Центр управления системой соединен каналами автоматизированной и неавтоматизированной связи, а также линиями передачи данных со всеми элементами ПКУ, планирует и координирует работу всех средств ПКУ на основании принятого для ГЛОНАСС ежесуточного режима управления спутниками в рамках технологического цикла управления. При этом ЦУС собирает и обрабатывает данные для прогноза эфемерид и частотно-временных поправок, осуществляет с помощью, так называемого, баллистического центра расчет и анализ пространственных характеристик системы, анализ баллистической структуры и расчет исходных данных для планирования работы элементов ПКУ.

Центральный синхронизатор, взаимодействуя с ЦУС, формирует шкалу времени ГЛОНАСС, которая используется для синхронизации процессов в системе, например, в системе контроля фаз. Он включает в свой состав группу водородных стандартов.

Контрольные станции (станции управления, измерения и контроля или наземные измерительные пункты) по принятой схеме радиоконтроля орбит осуществляют сеансы траекторных и временных измерений, необходимых для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой ГЛОНАСС, а также собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем — спутников. С их помощью происходит закладка в бортовые ЭВМ спутников массивов служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки и др.), временных программ и оперативных команд для управления бортовыми системами

Траекторные измерения осуществляются с помощью радиолокационных станций, которые определяют запросным способом дальность до спутников и радиальную скорость. Дальномерный канал характеризуется максимальной ошибкой около 2…3 м. Процесс измерения дальности до спутника совмещают по времени с процессом закладки массивов служебной информации, временных программ и команд управления, со съемом телеметрических данных со спутника.

В настоящее время для обеспечения работ ГЛОНАСС могут использоваться КС, рассредоточенные по всей территории России. Часть КС и других элементов наземного сегмента ГЛОНАСС осталась вне территории России.

В случае выхода из строя одной из станций возможна ее равноценная замена другой, так как сеть КС обладает достаточной избыточностью и в наихудшей ситуации работу системы может обеспечивать ЦУС и одна станция, однако интенсивность ее работы будет очень высокой

Описанная сеть КС отличается от аналогичной структуры СРНС GPS тем, что обеспечивает высокое качество управления орбитальной группировкой только с национальной территории. КС ГЛОНАСС могут использоваться для обеспечения функционирования других космических средств.

Кванто-оптическая станции предназначены для периодической юстировки радиотехнических каналов измерения дальности КС с помощью лазерного дальномера. В этих целях на каждом спутнике размещены специальные лазерные отражатели. Применение КОС обеспечивает высокоточное измерение параметров движения спутников ГЛОНАСС. За последние 20 лет разработаны три отечественные лазерные станции слежения или КОС: лазерная дальномерная система Гео-ИК; КОС Эталон; КОС Майданак (Узбекистан).

Наиболее эффективно лазерные станции работают в ночное время при хорошей видимости.

Система ГЛОНАСС создавалась в условиях, когда уровень фундаментальных исследований в области геодезии, геодинамики и геофизики не обеспечивал требуемую точность эфемеридного обеспечения системы. В этих условиях был проведен комплекс работ по обоснованию путей, решения этой проблемы через построение согласующих моделей движения спутников, параметры которых определяют в процессе решения самой задачи баллистико-навигационного обеспечения системы

Исследования показали, что необходимо отказаться от типовых острорезонансных (например, с периодом обращения спутника равным 12 ч, как в СРНС GPS, когда период вращения Земли вокруг своей оси равен двум периодам обращения спутника) орбит спутников, так как в процессе моделирования уравнений траекторного движения спутников это повышает устойчивость их решений и ослабляет корреляции между параметрами отдельных уравнений (моделирующих, например, изменение геопотенциала, координат измерительных средств, радиационного давления). Кроме того, оказалось, что наивысшая точность баллистико-эфемеридного обеспечения системы при решении многомерной навигационной задачи с расширенным вектором состояния обеспечивается при обработке измеренных текущих навигационных параметров на интервале 8 сут. Переход от острорезонансных орбит был осуществлен путем увеличения числа витков спутника (по сравнению с GPS) на интервале 8сут до 16…17. Число спутников в системе брано равным 24 с равномерным распределением по трем орбитальным плоскостям. Все спутники системы фазируются таким образом, что на больших временных интервалах они имеют один след на поверхности Земли. Это обеспечивает высокую баллистическую устойчивость системы и относительно высокую точность и простоту расчетов траекторий. Опыт эксплуатации системы показал, что при обеспечении начального периода обращения спутника с точностью не хуже 0,1 с на протяжении заданного срока активного существования спутника его положение в системе корректировать не нужно.