Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow GPS

Обеспечение точной синхронизации

Подождите секунду (не стоит принимать сказанное за каламбур). Известно, что скорость света равна 186 000 милям (300 000 километров) в секунду. Если синхронизация аппаратуры спутника и передатчика будет нарушена хотя бы на 0,01 секунды, то ошибка в результатах расчета расстояние до спутника может достичь величины 1860 миль! Как же убедиться в том, что и спутник и приемник действительно одновременно генерируют свои коды?

Что ж, по крайней мере, с одной стороны, решение проблемы синхронизации выглядит достаточно простым - на борту каждого спутника установлены атомные часы. Точность таких часов невероятна, а цена - умопомрачительна. Они стоят более ста тысяч долларов за штуку, а на каждом спутнике их по четыре штуки, и все только для того, чтобы мы с вами до конца могли быть уверены, что все работает надежно.

Атомные часы не используют для своей работы атомную энергию в привычном понимании этого термина. Свое название они получили благодаря тому, что «маятником» им служат колебания отдельных атомов. Это наиболее точный и стабильный прибор для отсчета времени из всех разработанных человеком на сегодняшний день. Можете побиться об заклад, что уж если они показывают полдень, то значит, и в самом деле наступил полдень.

Ну что же, спутнику хорошо, а что делать нам простым смертным, ходящим по Земле? Если бы пришлось встраивать атомные часы стоимостью в сотню тысяч долларов в каждый GPS приемник, то такой приемник был бы только на яхте мистера Дональда Трампа - обладателя одного из самых крупных личных состояний в мире.

Спасательная тригонометрия

К счастью, нашелся способ обойтись в приемниках часами умеренной точности и стоимости. Секрет в том, чтобы сделать дополнительное измерение дальности спутника. Совершенно верно, - дополнительно измеренное расстояние позволяет компенсировать все огрехи системы синхронизации в наземной части системы (Теперь вам понятно, что мы имели в виду, говоря, что трех измерений «теоретически» достаточно?).

Выполнив тригонометрические построения, мы убедимся, что если для точного определения сложения точки в трехмерном пространстве необходимо выполнить три точных линейных измерения, то четыре приближенные линейные измерения позволят нам исключить любую ошибку, внесенную в результаты измерений несовершенством системы синхронизации используемой в GPS. При этом необходимо помнить, что отправной точкой всех наших рассуждении является основной принцип GPS - измерение расстояния по времени прохождения этого расстояния радиосигналом.

Хотя все это и звучит какой-то технической абракадаброй, однако, основная идея на удивление проста, поскольку, она имеет для GPS фундаментальное значение, то стоит потратить немного времени, чтобы понять принцип, на котором она строится.

Для того чтобы объяснения было легче понять, мы будем пользоваться диаграммами, а для того чтобы диаграммы было проще рисовать, представим, что мы работаем в двумерном пространстве (на плоскости). GPS, безусловно, система трехмерная, но принцип, который мы в настоящее время рассматриваем, будет работать и в двумерном пространстве. Третье измерение мы просто ненадолго исключим.

Почему измерение четвертой дальности устраняет влияние неточности хода часов.

Все происходит следующим образом: пусть часы в нашем приемнике не могут сравниться по точности хода с атомными. Уровень их точности такой же, как в наручных кварцевых часах. Пусть они имеют небольшое расхождение с универсальным временем. Положим, они немного спешат и показывают ровно полдень, хотя в действительности всего 11:59:59. и посмотрим, как это скажется на расчете координат нашего местоположения.

Обычно, говоря о расстоянии до спутника, мы, естественно подразумеваем, что оно измеряется в милях или километрах, но поскольку в системе GPS расстояния рассчитываются по времени прохождения сигнала, давайте договоримся, что и мы будем измерять расстояние в единицах времени. Так нам будет гораздо проще понять, каким образом погрешность часов влияет на точность позиционирования.

Договоримся также, что мы находимся на расстоянии 4-х секунд от спутника А и 6-и секунд от спутника В. Этих двух расстоянии вполне достаточно, чтобы в двумерном пространстве (на плоскости) однозначно определить наше местоположение как точку. Назовем ее точкой «X». (Позволим себе напомнить, что в трехмерном пространстве для определения точки потребовалось бы измерить три расстояния).

Итак, наше фактическое положение в воображаемом двумерном пространстве представлено точкой X и именно эту точку мы получили бы при том условии, что часы всех приборов системы GPS идут верно.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы пользуемся приемником, часы которого спешат на одну секунду? Такой приемник определит, что расстояние до спутника А равно пяти секундам и расстояние до спутника В равно семи секундам. Это дает две окружности, пересекающиеся в точке XX на совпадающей с точкой X.

Итак, приемник, часы которого спешат на одну секунду, определит наше местоположение, как точку XX. Поскольку мы лишены какой-либо возможности установить, что часы в нашем приемнике несколько спешат, результат позиционирования никаких сомнений у нас не вызовет. Однако цена такой ошибки - многие мили и осознаем мы это в полной мере, лишь, когда неожиданно начнем натыкаться на скалы, хотя по результатам вычислений никаких скал не предвиделось.

Вот где нам поможет тригонометрия. Введем в расчеты результаты еще одного измерения. В двумерном пространстве, которое мы используем в примере это означает появление на плоскости еще одного спутника.

Договоримся, что в ситуации, когда все наши часы идут правильно, спутник С расположится на расстоянии 8-и секунд от точки нашего действительного местоположения Эту ситуацию иллюстрирует рисунок, расположенный слева. Напомним, что этот рисунок иллюстрирует ситуацию, когда все часы идут правильно, а именно так и происходи в действительности. Поскольку все три, имеющихся на рисунке окружности образованы радиусами, равными истинной дальности спутников, они и пересекаются в точке нашего действительного местоположения - точке X.

Теперь внесем в рисунок ошибку в одну секунду и посмотрим: что при этом произойдет.

Толстыми заштрихованными линиями показаны окружности, образованные радиусами, равными «псевдо дальностям» спутников, полученными в результате того, что часы спешат. Термин «псевдодальность» мы будем использовать для того, чтобы обозначить дальность, полученную в результате измерений, выполненных с ошибкой (в нашем случае с неправильно идущими часами). Заметим, что окружность, образованная псевдодальностью спутника С не проходит через точку пересечения окружностей, образованных псевдодальностями спутников А и В. Это произошло потому, что точки с дальностью 5 секунд от спутника А, 7 секунд от спутника В и 9 секунд от спутника С не существует в принципе. Результаты измерении, выполненных с ошибкой просто физически не могут сойтись в одной точке.

Миниатюрные компьютеры GPS приемников запрограммированы таким образом, что, когда обнаруживаются результаты серии измерений, не сходящихся в одной точке, они понимают, что где-то ошибка. Тогда делается предположение, что причиной ошибки является сбой внутренних часов приемника, что эти часы спешат или отстают.

Компьютер начинает добавлять или вычитать некоторую фиксированную величину ко всем имеющимся результатам измерения времени. Он продолжает подбор значения этой величины до тех пор, пока не найдет ту, которая заставит окружности, построенные на дальностях всех спутников пересечься в одной точке. В нашем примере он должен обнаружить, что вычитание одной секунды из результатов измерений всех трех дальностей заставит все окружности пересечься в единственной точке. Отсюда он сделает вывод, что его часы спешат на одну секунду.

Подбор величины поправки не происходит случайным образом. Для решения этой задачи используется алгебра - известное правило решения четырех уравнений с четырьмя неизвестными. Поэтому величину ошибки часов он вычисляет довольно быстро. Однако, при всем этом, основная идея остается прежней - добавляя измерения еще одной дальности, мы можем исключить любую ошибку, вызванную сбоем точности хода часов нашего приемника.

Для точных трехмерных измерений нужны четыре спутника

Это означает, что для выполнения точного позиционирования в трехмерном пространстве и исключения влияния на результат различного рода ошибок необходимо выполнить измерения дальностей до четырех спутников. Число 4 имеет очень большое значение и, пожалуй, заслуживает, чтобы мы его запомнили, поскольку оно говорит о том, что вы не сможете выполнить действительно точное позиционирование до тех пор, пока над горизонтом в поле зрения антенны вашего приемника не окажется четыре GPS спутника.

Завершенная система GPS должна содержать 24 спутника, тогда в любой точке земли над горизонтом, когда будут видны 6олее, чем четыре спутника. В настоящее время система находится еще в стадии формирования, и в течение суток существуют периоды, когда над горизонтом может оказаться менее чем 4 GPS спутника.

В такие периоды выполнение точного трехмерного gps позиционирования невозможно. По этой причине определенное распространение получили комбинированные приемники, в которых блок GPS объединен с блоком какой либо другой навигационной системы, например LORAN. Такая комбинация может круглосуточно обеспечивать точность позиционирования близкую к точности GPS, поскольку в периоды, когда над горизонтом находится достаточно спутников, блок GPS может использоваться для установки прецизионных точек отсчета системы LORAN. В этом случае система LORAN сможет обеспечивать высокую точность в те периоды времени, когда GPS спутники опускаются за линию горизонта.

Необходимость измерений четвертой дальности определяет конструкцию приемника.

Необходимость выполнения измерений четырех значении дальности для точного трехмерного позиционирования оказывает существенное влияние на разработку конструкции GPS приемников. Мы поговорим об этом подробнее в специальном разделе, а здесь сформулируем лишь одно фундаментальное правило, вытекающее из всего того, что мы знаем:

* для обеспечения возможности непрерывного выполнения измерении и позиционирования в реальном времени, необходим приемник, работающий, по крайней мере, на четырех каналах. То есть приемник, в котором выделяется по одному каналу для работы с каждым из четырех спутников, при этом прием сигналов от всех четырех спутников происходит одновременно.

Однако лишь немногие области использования GPS требуют обеспечения столь высокого быстродействия и точности. В большинстве случаев бывает достаточно более дешевых одноканальных приемников. Одноканальный приемник, прежде чем выполнить вычисления координат положения последовательно выполняет четыре самостоятельных измерения дальности до каждого из четырех спутников. Выполнение этих измерении может длиться от двух до тридцати секунд, но во многих случаях такого быстродействия приемника вполне достаточно.

К сожалению, приемники такого типа не обеспечивают удовлетворительного контроля скорости перемещения объекта. Возможность такого контроля является одной из уникальных особенностей GPS: - система позволяет с большой точностью измерять скорость вашего движения. Но любое перемещение приемника во время выполнения им цикла измерений четырех дальностей всегда сильно сказывается на точности.

Другой недостаток одноканальных GPS приемников проявляется, когда спутник передает «системное сообщение». Прием системного сообщения продолжается 30 секунд, поэтому при переходе к работе с каждым новым спутником процесс навигационных измерений и расчетов прерывается на 30 секунд.

Наиболее распространенным компромиссным решением этой проблемы является трехканальный GPS приемник. Такой приемник, принимая и обрабатывая информацию о времени прохождения сигналов спутников по двум каналам, в то же самое время по третьему каналу производит захват радиочастот и подготовку к измерениям очередного спутника. После того как первые два канала завершат измерения, они могут мгновенно переключаться на обработку навигационной информации от очередных спутников без потерь времени на настройку и прием сообщений о техническом состоянии этих спутников. Третий канал, называемый обычно административным начинает поиск следующего спутника и, отыскав его, приступает к выполнению процедуры захвата.

Такое решение позволяет значительно ускорить последовательные измерения, а также непрерывно выполнять корректировку положения. Дополнительным преимуществом трехканальных приемников является то, что они могут программироваться на одновременное отслеживание до восьми спутников так, что если один из отслеживаемых спутников будет заблокирован его можно немедленно, не прерывая процесса навигационных расчетов, заменить другим.

Краткие тезисы:

  • * Основой точного измерения расстояния до спутников является прецизионный отсчет времени.
  • * Спутники выполняют прецизионный отсчет времени, благодаря использованию атомных часов.
  • * Приемники не нуждаются в прецизионных часах, поскольку ошибки измерения дальности по времени прохождения сигнала можно компенсировать, используя дополнительные тригонометрические расчеты.
  • * Для дополнительных тригонометрических расчетов необходимо выполнить измерение дальности четвертого спутника.
  • * Конструкция приемников во многом определяется необходимостью выполнять измерения дальностей четырех спутников
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ
GPS - Глобальная Навигационная Система