В конце XX века в результате развития спутниковых технологий появилась возможность решать задачи местоопределения в любой точке Земли, в любое время суток и года, при любой погоде для неограниченного количества объектов. В результате автоматического слежения за сигналами спутников и их обработки навигационные приборы (приемоиндикаторы) с периодичностью в одну секунду и выше, и с погрешностью в несколько метров определяют текущие значения трех координат, точное время, скорость и направление движения объекта.
В конце 70-х годов в США и СССР развернулись работы по созданию среднеорбитальных спутниковых навигационных систем. По проекту — 24 спутника, вращаясь на трех взаимноперпендикулярных орбитах в 20 000 км от Земли, должны обеспечивать навигацию в любой точке Земли, в любое время суток. Навигация становится глобальной, что и нашло отражение в названиях этих систем ГЛОНАСС (СССР) — Global Navigation Satellite System глобальная навигационная спутниковая системаи NAVSTAR (США) -Navigation Satellite Time and Ranging — навигационный спутник измерения времени и координат, часто именуемая GPSGlobal Positioning Systemглобальная спутниковая система. И та и другая системы позволяют практически в любой точке Земного шара определить местоположение и скорость объектов.
Основой системы NAVSTAR являются 24 GPS-спутника, движущихся над поверхностью Земли на высоте 20 180 км. Спутники движутся по 6 орбитальным траекториям (по 4 спутника на каждой), наклон орбиты которых составляет 55 градусов.
GPS — спутники излучают специальные сигналы в диапазоне 1575,42 МГц. Передаваемые спутниками навигационные сигналы, принимаются GPS-приемниками, которые на основе метода триангуляции полученных сигналов позволяют определить местоположение объекта. Используемый в гражданском применении С/А — код позволяет определить координаты объекта с точностью порядка 100 м. Используемый Министерством обороны США точный Р — код представляет возможности по позиционированию с точностью порядка 10 м. В мае 2001 года правительством США были сняты ограничения по доступу гражданских пользователей к С/А — коду (т.н. S/Aрежим), но оставлено право вводить его вновь, что ухудшает точность местоопределения, или полностью лишать доступа к сигналам в случае ситуаций, угрожающих безопасности страны.
В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС начались в 1982 году запуском спутника «Космос-1413». Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегменту является НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по навигационным космическим аппаратам — ПО «Полёт» (г. Омск). Головным разработчиком радиотехнических комплексов является РНИИ КПответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигационной аппаратуры потребителей определён Российский институт радионавигации и времени.
Система ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. По своей структуре ГЛОНАСС так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.
Система в целом включает в себя три функциональные части, называемые сегментами. Рисунок 1.
Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.
• космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли — навигационных космических аппаратов;
• сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
• аппаратура пользователей системы.
Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения.
Российская система ГЛОНАСС также основана на работе 24 спутников (в настоящий момент число спутников сокращено), движущихся над поверхностью Земли на высоте 19 130 км. Спутники движутся по 3 орбитальным траекториям, наклон орбиты которых составляет 64,8 градуса. ГЛОНАСС — спутники излучают специальные сигналы в диапазоне 1598,61 604,25 МГц. В основе определения местоположения объекта также лежит метод триангуляции (пространственных линейных засечек) полученных от спутников сигналов. Используемый в гражданском применении код (ПТ-код) позволяет определить координаты объекта с точностью 50 м.
Общее направление модернизации ГЛОНАСС связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем.
На современном этапе использование ГЛОНАСС позволяет повысить точность навигационных определений за счет оптимизации геометрии рабочего созвездия, обеспечивая возможность работы в более высоких широтах (приполярных областях). Это особенно актуально для использования спутниковых навигационных средств в России, немалая часть территории которой расположена именно в высоких широтах, где также находится одна из основных транспортных артерий России — Северный морской путь.
Таким образом, навигационный приемник, работающий на основе системы российских спутников (или принимающий сигналы двух существующих систем) является независимым от американской системы GPS в случае отключения доступа к сигналам ее спутников, и данный прибор обладает большими возможностями по позиционированию — улучшается точность определения координат и территория использования.
До настоящего времени широкое распространение в мире получили портативные навигационные приборы импортного производства, принимающие сигналы от спутников системы NAVSTAR (или GPS) производства США.
Вместе с тем наличие системы российских спутников ГЛОНАСС позволяет создать навигационный портативный прибор, работающий только с российскими спутниками, или использующий сигналы двух систем. Таким образом, на сегодняшний день наблюдается отсутствием предложений готового эргономичного продукта российского производства при существующей широкой потребности в осуществлении навигации.
Правительством России разработаны принципы государственной политики России по использованию системы ГЛОНАСС: укрепление и под держание безопасности страныповышение эффективности работы и безопасности эксплуатации транспортаподдержка научного и технического потенциала РФ в области космических навигационных системподдержание и развитие системы ГЛОНАСС как основной государственной навигационной системыобеспечение широкомасштабного внедрения системы ГЛОНАСС в различные сферы деятельностиактивное продвижение системы ГЛОНАСС для принятия ее мировым сообществом как стандартной навигационной системы для гражданского, коммерческого и научного применениявсемерное содействие международному сотрудничеству по использованию системы ГЛОНАСС.
В зависимости от сферы применения можно выделить следующие классы спутниковых навигационных приборов:
1. Персональные GPS-приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
2. Автомобильные GPS-приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
3. Морские GPS-приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
4. Авиационные GPS-приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов.
5. Приемники геодезического класса, отличающиеся повышенной точностью определения координат, моментов времени и временных интервалов.
Постоянное улучшение существующих и появление новых функциональных возможностей требует постоянного изменения дизайна имеющихся и разработку новых портативных навигационных приборов.
Основные выводы.
1. В данной работе проведен анализ развития спутниковых средств навигации и их дизайна за последние 12 лет.
Показано, что в конце XX века в результате развития спутниковых технологий появилась возможность решать задачи местоопределения в любой точке Земли, в любое время суток и года, при любой погоде для неограниченного количества объектов. В настоящее время общее направление модернизации Глобальной Навигационной Спутниковой Системы (Россия) связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем.
До настоящего времени широкое распространение в мире получили портативные навигационные приборы импортного производства, принимающие сигналы от спутников системы NAVSTAR (или GPS) производства США, работу которой контролирует Министерство Обороны США.
Первые модели навигационных приборов (Magellan, Trimble (США)), имели большие габаритные размеры, большой вес, неудобное расположение управляющих клавиш и черно-белый экран без цветоделения.
Появление новых функциональных возможностей потребовало изменение дизайна. Появились цветные ЖКИ дисплеи, удобные влагозащшценные корпуса приборов, компактные интерфейсы, уменьшился вес.
В результате проведенного сравнительного анализа эволюции дизайна приборов, предназначенных для навигации в различных сферах чеовеческой деятельности, определены следующие тенденции развития дизайна:
— уменьшение габаритных размеров;
— уменьшение общего веса;
— увеличение размера экрана вывода информации;
— изменение качества экрана;
— уменьшение количества управляющих клавиш. I.
2. В работе показано, что наличие системы российских спутников ГЛОНАСС позволяет создать навигационный портативный прибор, работающий только с российскими спутниками, или универсальный прибор, использующий сигналы двух систем в результате чего появляется возможность решать задачи навигации любых объектов, опираясь на отечественные технологии.
На современном этапе использование ГЛОНАСС позволяет повысить точность навигационных определений за счет оптимизации геометрии рабочего созвездия. Это особенно актуально для использования спутниковых навигационных средств в России, немалая часть территории которой расположена именно в высоких широтах, где также находится одна из основных транспортных артерий России — Северный морской путь.
Таким образом, навигационный приемник, работающий на основе системы российских спутников, является независимым от американской системы GPS в случае отключения доступа к сигналам ее спутников, и данный прибор обладает большими возможностями по позиционированиюулучшается точность и надежность определения координат в высоких широтах.
3. Разработана методика компьютерного трехмерного моделирования для проектируемых портативных навигационных приборов на базе программы трехмерного моделирования 3D Studio Мах 4.0, которая является актуальной и применимой для проектирования других подобных портативных электронных средств ориентирования и связи.
Преимуществами предложенной методологии моделирования являются:
• Неограниченная возможность создания и редактирования трехмерных прототипов;
• Возможность работы с материалами и проектирование их декоративных свойств;
• Оперативность и вариантность визуального предоставления результатов моделирования;
• Возможность работы с другими 3D программами.
4. Разработан дизайн пульта управления отечественного портативного навигационного прибора на основе метода компоновки.
— определены оптимальные габаритные размеры прибора;
— установлено количество управляющих клавиш;
— определен размер и тип экрана;
— разработана цветовая гамма.
Разработанный портативный навигационный прибор имеет следующие параметры:
Габаритные размеры: Длина — 160 мм.
Ширина — 70 мм Высота — 40 мм.
Размер дисплея вывода информации: 45×54 мм.
Качество дисплея: цветной, четыре цвета.
Цвет основного корпуса прибора: серый металлический Цвет дополнительных функциональных элементов: черный Цвет информационных надписей на управляющих клавишах: белый.
5. Проведена оптимизация материалов и технологий их обработки для изготовления пульта управления.
Основные требования, предъявляемые к материалам пульта управления прибора — это практичность и удобство эксплуатации. Определены следующие принципы оптимизации: минимизация веса прибора, эргономическая целесообразность, четкость восприятия информации, водонепроницаемость, ударостойкость. Была подобрана серия материалов для изготовления корпуса прибора, управляющих клавиш, ЖКИ противоударного экрана.
Для изготовления корпуса прибора предложен поликарбонат.
В качестве дисплея предложено использовать жидкокристаллическую панель следующего качества: FSTN — технология изготовления, TransFlective — вариант исполнения, и светодиодная фоновая подсветка.
Для изготовления управляющих клавиш предложен диэлектрический каучук СКС-30 АРПД.
6. Рассмотрены возможные изменения дизайна персонального спутникового навигатора в зависимости от области его применения.
В работе показано, что диапазон использования этих приборов весьма разнообразен и, соответственно, их исполнение также разнообразно. В целом весь спектр моделей можно условно разделить на четыре большие группы:
— приемники индивидуального применения;
— автомобильные навигационные приборы;
— морские навигационные приборы;
— авиационные навигационные приборы;
— приемники геодезического класса.
В зависимости от назначения портативный может быть модифицирован без изменения Предложены различные варианты отображения информации на экране прибора в зависимости от области его применения. спутниковый габаритных навигатор размеров.
