Sistema de navegación por satélite Glonass. ¿Qué es mejor: Glonass, GPS o Galileo? Vídeo: GloNaSS frente a GPS

Los sistemas de navegación y posicionamiento por satélite, desarrollados originalmente para necesidades militares, recientemente han encontrado una amplia aplicación en el ámbito civil. El seguimiento GPS/GLONASS del transporte, el seguimiento de las personas que necesitan atención, el seguimiento de los movimientos de los empleados, el seguimiento de los animales, el seguimiento del equipaje, la geodesia y la cartografía son las principales áreas de uso de las tecnologías satelitales.

Actualmente, existen dos sistemas globales de posicionamiento por satélite creados en los EE. UU. y la Federación de Rusia, y dos regionales, que cubren China, los países de la Unión Europea y varios otros países de Europa y Asia. El monitoreo GLONASS y el monitoreo GPS están disponibles en Rusia.

Sistemas GPS y GLONASS

GPS (Global Position System) es un sistema satelital cuyo desarrollo se inició en América en 1977. En 1993 se implementó el programa y en julio de 1995 el sistema estaba completamente listo. Actualmente, la red espacial GPS consta de 32 satélites: 24 principales y 6 de respaldo. Orbitan la Tierra en una órbita media-alta (20.180 km) en seis planos, con cuatro satélites principales en cada uno.

En tierra hay una estación de control principal y diez estaciones de seguimiento, tres de las cuales transmiten datos de corrección a satélites de última generación, que los distribuyen a toda la red.

El desarrollo del sistema GLONASS (Sistema Global de Navegación por Satélite) comenzó en la URSS en 1982. La finalización de la obra se anunció en diciembre de 2015. GLONASS requiere 24 satélites para funcionar, 18 son suficientes para cubrir el territorio y la Federación Rusa, y el número total de satélites actualmente en órbita (incluidos los de respaldo) es 27. También se mueven en una órbita media-alta, pero a menor altitud. (19.140 km), en tres planos, con ocho satélites principales en cada uno.

Las estaciones terrestres de GLONASS están ubicadas en Rusia (14), la Antártida y Brasil (una cada uno), y está previsto desplegar varias estaciones adicionales.

El predecesor del GPS fue el sistema Transit, desarrollado en 1964 para controlar el lanzamiento de misiles desde submarinos. Podía localizar objetos exclusivamente estacionarios con una precisión de 50 m, y el único satélite estaba en el campo de visión sólo una hora al día. El programa GPS se llamaba anteriormente DNSS y NAVSTAR. En la URSS, la creación de un sistema de navegación por satélite comenzó en 1967 como parte del programa Cyclone.

Las principales diferencias entre los sistemas de monitoreo GLONASS y GPS:

• Los satélites estadounidenses se mueven de forma sincrónica con la Tierra, mientras que los satélites rusos se mueven de forma asíncrona;
• diferentes alturas y número de órbitas;
• sus diferentes ángulos de inclinación (aproximadamente 55° para GPS, 64,8° para GLONASS);
• diferentes formatos de señal y frecuencias de funcionamiento.

Beneficios del GPS

• El GPS es el sistema de posicionamiento más antiguo que existe; estaba en pleno funcionamiento antes que el ruso.
• La confiabilidad proviene del uso de una mayor cantidad de satélites redundantes.
• El posicionamiento se produce con un error menor que GLONASS (en promedio 4 my para los satélites de última generación, 60 a 90 cm).
• Muchos dispositivos son compatibles con el sistema.

Ventajas del sistema GLONASS

• La posición de los satélites asíncronos en órbita es más estable, lo que los hace más fáciles de controlar. No se requieren ajustes regulares. Esta ventaja es importante para los especialistas, no para los consumidores.
• El sistema fue creado en Rusia, por lo que garantiza una recepción confiable de la señal y precisión de posicionamiento en las latitudes del norte. Esto se logra gracias al mayor ángulo de inclinación de las órbitas de los satélites.
• GLONASS es un sistema nacional y seguirá estando disponible para los rusos si se desactiva el GPS.

Desventajas del sistema GPS

• Los satélites giran sincrónicamente con la rotación de la Tierra, por lo que un posicionamiento preciso requiere el funcionamiento de estaciones correctivas.
• Un ángulo de inclinación bajo no proporciona una buena señal ni un posicionamiento preciso en regiones polares y latitudes altas.
• El derecho a controlar el sistema pertenece a los militares, que pueden distorsionar la señal o desactivar completamente el GPS para civiles o para otros países en caso de conflicto con ellos. Por tanto, aunque el GPS para transporte es más preciso y cómodo, GLONASS es más fiable.

Desventajas del sistema GLONASS

• El desarrollo del sistema comenzó más tarde y hasta hace poco se llevó a cabo con un retraso significativo con respecto a los estadounidenses (crisis, abuso financiero, robo).
• Conjunto incompleto de satélites. La vida útil de los satélites rusos es más corta que la de los satélites estadounidenses, requieren reparación con más frecuencia, por lo que se reduce la precisión de la navegación en varias áreas.
• El seguimiento de vehículos por satélite GLONASS es más caro que el GPS debido al elevado coste de los dispositivos adaptados para funcionar con el sistema de posicionamiento doméstico.
• Falta de software para teléfonos inteligentes y PDA. Los módulos GLONASS fueron diseñados para navegantes. Para los dispositivos portátiles compactos actuales, la opción más común y asequible es la compatibilidad con GPS-GLONASS o solo GPS.

Reanudar

Los sistemas GPS y GLONASS son complementarios. La solución óptima es el monitoreo satelital GPS-GLONASS. Los dispositivos con dos sistemas, por ejemplo, los marcadores GPS con el módulo M-Plata GLONASS, proporcionan una alta precisión de posicionamiento y un funcionamiento confiable. Si para el posicionamiento exclusivamente con GLONASS el error es de 6 m en promedio y para el GPS de 4 m, cuando se utilizan dos sistemas simultáneamente se reduce a 1,5 m. Pero estos dispositivos con dos microchips son más caros.

GLONASS fue desarrollado específicamente para las latitudes rusas y es potencialmente capaz de proporcionar una alta precisión debido a su escasez de satélites; la verdadera ventaja sigue estando del lado del GPS; Las ventajas del sistema americano son la disponibilidad y una amplia selección de dispositivos con GPS.

Sistemas de navegación por satélite GLONASS y GPS. Parte 1

E. Povalyaev, S. Khutornoy

Sistemas de navegación por satélite GLONASS y GPS. Parte 1

Llamamos su atención sobre una serie de artículos dedicados a los sistemas de radionavegación por satélite Glonass (sistema de navegación global por satélite) y GPS (sistema de posicionamiento global). El primer artículo de la serie analiza la construcción y operación de sistemas, la estructura y funciones de los equipos de consumo (receptores), los algoritmos para resolver el problema de la navegación y las perspectivas de desarrollo de los sistemas.

Desde la antigüedad, los viajeros se han preguntado: ¿cómo determinar su ubicación en la Tierra? Los antiguos navegantes se guiaban por las estrellas, indicando la dirección del viaje: conociendo la velocidad media y el tiempo de viaje, era posible navegar en el espacio y determinar la distancia hasta el destino final. Sin embargo, las condiciones climáticas no siempre favorecieron a los investigadores, por lo que no fue difícil perder el rumbo. Con la llegada de la brújula, la tarea se volvió mucho más fácil. El viajero ya dependía menos del clima.

La era de la radio ha abierto nuevas oportunidades para las personas. Con la llegada de las estaciones de radar, cuando fue posible medir los parámetros de movimiento y la ubicación relativa de un objeto a partir de un haz de radar reflejado desde su superficie, surgió la pregunta sobre la posibilidad de medir los parámetros de movimiento de un objeto a partir de la señal emitida. En 1957 en la URSS, un grupo de científicos liderados por V.A. Kotelnikova confirmó experimentalmente la posibilidad de determinar los parámetros de movimiento de un satélite terrestre artificial (AES) basándose en los resultados de las mediciones del desplazamiento de frecuencia Doppler de la señal emitida por este satélite. Pero, lo más importante, se estableció la posibilidad de resolver el problema inverso: encontrar las coordenadas del receptor a partir del desplazamiento Doppler medido de la señal emitida por el satélite, si se conocen los parámetros de movimiento y las coordenadas de este satélite. Cuando se mueve en órbita, el satélite emite una señal de una determinada frecuencia, cuyo valor nominal se conoce en el extremo receptor (consumidor). La posición del satélite en cada momento del tiempo se conoce con mayor precisión, se puede calcular en base a la información contenida en la señal del satélite. El usuario, midiendo la frecuencia de la señal que le llega, la compara con la de referencia y así calcula el cambio de frecuencia Doppler debido al movimiento del satélite. Las mediciones se realizan de forma continua, lo que permite crear una especie de función de cambio de frecuencia Doppler. En cierto momento, la frecuencia se vuelve cero y luego cambia de signo. En el momento en que la frecuencia Doppler es igual a cero, el consumidor se encuentra en una línea normal al vector de movimiento del satélite. Utilizando la dependencia de la pendiente de la curva de frecuencia Doppler de la distancia entre el consumidor y el satélite y midiendo el momento en el que la frecuencia Doppler es cero, es posible calcular las coordenadas del consumidor.

Así, el satélite artificial de la Tierra se convierte en una estación de referencia de radionavegación, cuyas coordenadas cambian en el tiempo debido al movimiento orbital del satélite, pero que pueden calcularse de antemano para cualquier momento gracias a la información de efemérides incorporada en la señal de navegación del satélite.

En 1958-1959 en la Academia de Ingeniería de la Fuerza Aérea de Leningrado (LVVIA) que lleva su nombre. A.F. Mozhaisky, el Instituto de Astronomía Teórica de la Academia de Ciencias de la URSS, el Instituto de Electromecánica de la Academia de Ciencias de la URSS, dos institutos de investigación marina y el Instituto de Investigaciones Científicas de Ciencias Físicas de Gorky realizaron investigaciones sobre el tema "Sputnik", que más tarde se convirtió en la base para la construcción del primer sistema nacional de navegación por satélite de órbita baja "Cicada". Y en 1963 se empezó a trabajar en la construcción de este sistema. En 1967, se puso en órbita el primer satélite de navegación nacional, el Kosmos-192. Un rasgo característico de los sistemas de radionavegación por satélite de primera generación es el uso de satélites de órbita baja y el uso de una señal de un satélite actualmente visible para medir los parámetros de navegación de un objeto. Posteriormente, los satélites del sistema "Cicada" fueron equipados con equipos receptores para detectar objetos en peligro.

Paralelamente, tras el exitoso lanzamiento del primer satélite terrestre artificial por parte de la URSS, en EE.UU., en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, se están realizando trabajos relacionados con la posibilidad de medir los parámetros de la señal emitida. por el satélite. A partir de las mediciones, se calculan los parámetros del movimiento del satélite con respecto al punto de observación terrestre. Resolver el problema inverso es cuestión de tiempo.

Sobre la base de estos estudios, en 1964 se creó en Estados Unidos el sistema de radionavegación por satélite Doppler “Transit” de primera generación. Su objetivo principal es el apoyo a la navegación para el lanzamiento de misiles balísticos Polaris desde submarinos. El director del Laboratorio de Física Aplicada, R. Kershner, es considerado el padre del sistema. El sistema estuvo disponible para uso comercial en 1967. Al igual que en el sistema Cicada, en el sistema Transit las coordenadas de origen se calculan a partir del cambio de frecuencia Doppler de la señal de uno de los 7 satélites visibles. Los sistemas de satélites tienen órbitas polares circulares con una altitud sobre la superficie de la Tierra de ~ 1100 km; el período orbital de los satélites de tránsito es de 107 minutos. La precisión del cálculo de las coordenadas de la fuente en los sistemas de primera generación depende en gran medida del error al determinar la velocidad de la fuente. Entonces, si la velocidad de un objeto se determina con un error de 0,5 m, esto a su vez conducirá a un error al determinar las coordenadas de ~ 500 m. Para un objeto estacionario, este valor se reduce a 50 m.

Además, en estos sistemas no es posible un funcionamiento continuo. Debido a que los sistemas están en órbita baja, el tiempo durante el cual el satélite está en el campo de visión del consumidor no supera una hora. Además, el tiempo entre el paso de varios satélites en la zona de visibilidad del consumidor depende de la latitud geográfica en la que se encuentra y puede oscilar entre 35 y 90 minutos. Reducir este intervalo aumentando el número de satélites es imposible, porque todos los satélites emiten señales en la misma frecuencia.

En consecuencia, los sistemas de navegación por satélite de segunda generación tienen una serie de desventajas importantes. En primer lugar, la precisión a la hora de determinar las coordenadas de objetos dinámicos es insuficiente. Otra desventaja es la falta de continuidad en las mediciones.

Uno de los principales problemas que surgen a la hora de crear sistemas satelitales que proporcionen definiciones de navegación para varios satélites es la sincronización mutua de las señales de los satélites (escalas de tiempo) con la precisión requerida. Una discrepancia de 10 ns entre los osciladores de referencia del satélite provoca un error al determinar las coordenadas del consumidor de 10 a 15 m. El segundo problema al que se enfrentaron los desarrolladores al crear sistemas de navegación por satélite en órbitas altas fue la determinación y predicción de alta precisión de los parámetros orbitales de los satélites. El equipo receptor, midiendo los retrasos de las señales de diferentes satélites, calcula las coordenadas del consumidor.

Para estos fines, en 1967, la Marina de los Estados Unidos desarrolló un programa que lanzó el satélite TIMATION-I y, en 1969, el satélite TIMATION-II. A bordo de estos satélites se utilizaron osciladores de cristal. Al mismo tiempo, la Fuerza Aérea de los EE. UU. estaba llevando a cabo simultáneamente su programa para utilizar señales moduladas con código de pseudoruido (PRN) de banda ancha. Las propiedades de correlación de dicho código permiten utilizar una frecuencia de señal para todos los satélites, con separación de códigos de señales de diferentes satélites. Más tarde, en 1973, los dos programas se combinaron en un programa común llamado "Navstar-GPS". En 1996, se completó el despliegue del sistema. Actualmente hay 28 satélites activos disponibles.

En la URSS, las pruebas de vuelo del sistema de navegación por satélite de órbita alta Glonass comenzaron en 1982 con el lanzamiento del satélite Cosmos-1413. El principal desarrollador y creador del sistema en su conjunto y del segmento espacial es NPO Applied Mechanics (Krasnoyarsk), y de las naves espaciales de navegación, PO Polet (Omsk). El principal desarrollador de complejos de ingeniería de radio es RNIIKP; El Instituto Ruso de Radionavegación y Tiempo fue designado responsable de la creación del complejo temporal, el sistema de sincronización y el equipo de navegación para los consumidores.

Sistema de radionavegación por satélite en red (RNSS) Glonass

El sistema Glonass está diseñado para la navegación operativa global de objetos en movimiento en la superficie. El SRNSS fue desarrollado por orden del Ministerio de Defensa. Por su estructura, Glonass, al igual que el GPS, se considera un sistema de doble acción, es decir, puede utilizarse tanto para fines militares como civiles.

El sistema en su conjunto incluye tres partes funcionales (en la literatura profesional estas partes se denominan segmentos) (Fig. 1).

Figura 1. Segmentos de los sistemas de navegación de órbita alta Glonass y GPS

• el segmento espacial, que incluye la constelación orbital de satélites terrestres artificiales (es decir, naves espaciales de navegación);
• segmento de control, complejo de control terrestre (GCU) para la constelación orbital de naves espaciales;
• equipo del usuario del sistema.

De estas tres partes, la última, el equipo de usuario, es la más numerosa. El sistema Glonass no requiere solicitudes, por lo que no importa la cantidad de usuarios del sistema. Además de la función principal (definiciones de navegación), el sistema permite la sincronización mutua de alta precisión de los estándares de frecuencia y tiempo en objetos terrestres remotos y la referencia geodésica mutua. Además, se puede utilizar para determinar la orientación de un objeto basándose en mediciones tomadas desde cuatro receptores de señales de navegación por satélite.

En el sistema Glonass, las naves espaciales de navegación (NSV) que giran en una órbita geoestacionaria circular a una altitud de ~ 19.100 km se utilizan como estación de referencia de radionavegación (Fig. 2). El período orbital del satélite alrededor de la Tierra es, en promedio, de 11 horas 45 minutos. El tiempo de funcionamiento del satélite es de 5 años, tiempo durante el cual los parámetros de su órbita no deben diferir de los valores nominales en más del 5%. El satélite en sí es un contenedor hermético con un diámetro de 1,35 my una longitud de 7,84 m, en cuyo interior se colocan varios tipos de equipos. Todos los sistemas funcionan con paneles solares. La masa total del satélite es de 1415 kg. El equipo a bordo incluye: un transmisor de navegación a bordo, un cronizador (reloj), un complejo de control a bordo, un sistema de orientación y estabilización, etc.

Figura 2. Segmento espacial de los sistemas GLONASS y GPS.

Figura 3. Segmento del complejo de control terrestre del sistema Glonass

Figura 4. Segmento del complejo de control terrestre del sistema GPS.

El segmento complejo de control terrestre del sistema GLONASS realiza las siguientes funciones:

• efemérides y soporte tiempo-frecuencia;
• monitoreo de campo de radionavegación;
• vigilancia radiotelemétrica de satélites;
• Comando y programar radiocontrol del satélite.

Para sincronizar las escalas de tiempo de varios satélites con la precisión requerida, a bordo del satélite se utilizan estándares de frecuencia de cesio con una inestabilidad relativa del orden de 10-13. El complejo de control terrestre utiliza un estándar de hidrógeno con una inestabilidad relativa de 10-14. Además, la NKU incluye medios para corregir las escalas de tiempo de los satélites en relación con la escala de referencia con un error de 3 a 5 ns.

El segmento terrestre proporciona soporte de efemérides a los satélites. Esto significa que los parámetros de movimiento del satélite se determinan en tierra y los valores de estos parámetros se predicen para un período de tiempo predeterminado. Los parámetros y su previsión se incluyen en el mensaje de navegación transmitido por el satélite junto con la transmisión de la señal de navegación. Esto también incluye correcciones tiempo-frecuencia de la escala de tiempo a bordo del satélite en relación con la hora del sistema. La medición y predicción de los parámetros de movimiento del satélite se llevan a cabo en el Centro Balístico del sistema basándose en los resultados de las mediciones de la trayectoria, la distancia al satélite y su velocidad radial.

Sistema de navegación por radio por satélite GPS en red

El sistema GPS estadounidense tiene una funcionalidad similar al sistema doméstico Glonass. Su objetivo principal es determinar con alta precisión las coordenadas del consumidor, los componentes del vector de velocidad y su vinculación a la escala de tiempo del sistema. Al igual que el sistema doméstico, el sistema GPS fue desarrollado para el Departamento de Defensa de Estados Unidos y está bajo su control. Según el documento de control de la interfaz, los principales desarrolladores del sistema son:

• para el segmento espacial: División Espacial Internacional Rockwell, División Espacial Astro Martin Marietta;
• en el segmento de gestión: IBM, Federal System Company;
• por segmento de consumidores: Rockwell International, Collins Avio-nics & Communication Division.

Al igual que el sistema Glonass, el GPS consta de un segmento espacial, un complejo de mando y medición terrestre y un segmento de consumidores.

Como se mencionó anteriormente, la constelación orbital GPS consta de 28 naves espaciales de navegación. Todos ellos se encuentran en órbitas circulares con un período de revolución alrededor de la Tierra igual a 12 horas. La altitud orbital de cada satélite es de ~20.000 km. Los satélites del sistema GPS sufrieron una serie de mejoras que afectaron su rendimiento general. en la mesa 1 muestra breves características de la nave espacial utilizada en el sistema.

Cuadro 1. Características de las naves espaciales utilizadas en el sistema GPS

Tipo de satélite	masa en orbita	Potencia de las fuentes de energía, W.	Período estimado de existencia activa.	Año de lanzamiento del primer satélite.
Bloque-I	525	440	-	1978
Bloque-II	844	710	5	1989
Bloque-IIR	1094	1250	7,5	1997
Bloque-IIF	-	-	14–15	2001–2002

Tabla 2. Características comparativas de los sistemas GLONASS y GPS.

Indicador	GLONASS	GPS
Número de naves espaciales en una constelación orbital completa	24	24
Número de planos orbitales	3	6
Número de naves espaciales en cada avión.	8	4
Inclinación orbital	64,8º	55º
Altitud de la órbita, km	19 130	20 180
Período orbital del satélite	11 horas 15 minutos 44 segundos	11 horas 58 minutos 00 segundos
sistema de coordenadas	PZ-90	WGS-84
Masa de la nave espacial de navegación, kg.	1450	1055
Potencia del panel solar, W	1250	450
Duración de la existencia activa, años.	3	7,5
Medios para poner en órbita naves espaciales.	"Protón-K/DM"	delta 2
Número de naves espaciales lanzadas por lanzamiento	3	1
cosmódromo	Baikonur (Kazajstán)	Cabo Cañaveral
Tiempo de referencia	UTC(UA)	UTC(NO)
Método de acceso	FDMA	CDMA
Frecuencia portadora: L1 L2	1598,0625-1604,25 7/9 L1	1575,42 60/77L1
Polarización	Diestro	Diestro
Tipo de secuencia de pseudoruido	secuencia m	código de oro
Número de elementos de código: CALIFORNIA PAG	511 51 1000	1023 2,35x1014
Velocidad de codificación, Mbit/s: CALIFORNIA PAG	0,511 5,11	1,023 10,23
Nivel de interferencia de radio dentro del sistema, dB	-48	-21,6
Estructura del mensaje de navegación
Velocidad de transferencia, bits/s	50	50
Tipo de modulación	BPSK (Mánchester)	BPSK NRZ
Longitud de supertrama, mín.	2,5 (5 cuadros)	12,5 (25 fotogramas)
Longitud del marco, s	30 (15 líneas)	30 (5 líneas)
Longitud de línea, s	2	6

Al diseñar un sistema en general y satélites en particular, se presta mucha atención a las cuestiones del funcionamiento autónomo. Así, la nave espacial de primera generación (Bloque-I) garantizó el funcionamiento normal del sistema (es decir, sin errores importantes en la determinación de las coordenadas) sin intervención del segmento de control durante 3 a 4 días. En los dispositivos del Bloque II, este período se incrementó a 14 días. En la nueva modificación de la NKA, Block-IIR permite el funcionamiento autónomo durante 180 días sin ajustar los parámetros orbitales desde tierra, utilizando únicamente un complejo autónomo de sincronización mutua de satélites. Los dispositivos Block-IIF están destinados a reemplazar los Block-IIR gastados.

Estructura de las señales de radio de navegación del sistema Glonass.

El sistema Glonass utiliza señales MA por división de frecuencia (FDMA) emitidas por cada satélite: dos señales codificadas por desplazamiento de fase. La frecuencia de la primera señal está en el rango L1 ~ 1600 MHz, y la frecuencia de la segunda está en el rango L2 ~ 1250 MHz. Los valores nominales de las frecuencias operativas de las señales de radio transmitidas en las bandas L1 y L2 están determinadas por la expresión:

f k1 = f 1 + kD f 1
f k2 = f 2 + kD f 2 k = 0,1,...,24, (1)

donde k = 0,1,...,24 - número de letras (canales) de las frecuencias operativas del satélite;

f1 = 1602 MHz; D f 1 = 9/16 = 0,5625 MHz;
f2 = 1246 MHz; D f 2 = 7/16 = 0,4375 MHz.

Para cada satélite, las frecuencias operativas de las señales en los rangos L1 y L2 son coherentes y se forman a partir de un estándar de frecuencia. La relación de las frecuencias portadoras operativas de cada satélite es:

D f k1 / D f k2 = 7/9.

El valor de frecuencia nominal del generador a bordo, desde el punto de vista de un observador ubicado en la superficie de la Tierra, es de 5,0 MHz.

En el rango L1, cada satélite del sistema Glonass emite 2 portadoras de la misma frecuencia, desplazadas entre sí en fase 90º (Fig. 5).

Figura 5. Diagrama vectorial de señales portadoras de los sistemas GLONASS y GPS.

Uno de los portadores sufre un cambio de fase de 180º. La señal moduladora se obtiene sumando en módulo 2 tres señales binarias (Fig.6):

• un código aproximado de telémetro transmitido a una velocidad de 511 Kbit/s (Fig. 6c);
• secuencias de datos de navegación transmitidas a una velocidad de 50 bit/s (Fig. 6a);
• Oscilación de meandro transmitida a una velocidad de 100 bit/s (Fig. 6b).

Figura 6. Estructura de la señal GLONASS

La señal en el rango L1 (similar al código C/A en GPS) está disponible para todos los consumidores en el rango de visibilidad de la nave espacial. La señal en la banda L2 está destinada a fines militares y su estructura no se revela.

Composición y estructura de los mensajes de navegación de los satélites del sistema Glonass.

El mensaje de navegación se forma en forma de líneas continuas de 2 segundos de duración cada una. La primera parte de la línea (intervalo de 1,7 s) contiene datos de navegación y la segunda (0,3 s) contiene la marca de tiempo. Es una secuencia pseudoaleatoria abreviada que consta de 30 caracteres con una frecuencia de reloj de 100 bps.

Los consumidores necesitan los mensajes de navegación de los satélites del sistema Glonass para determinar la navegación y planificar sesiones de comunicación con los satélites. Según su contenido, los mensajes de navegación se dividen en información operativa y no operativa.

La información operativa se refiere al satélite de cuya señal se recibió. La información operativa incluye:

• digitalización de sellos de tiempo;
• diferencia relativa entre la frecuencia portadora del satélite y el valor nominal;
• información de efemérides.

La sincronización de la información de efemérides y las correcciones de tiempo y frecuencia, que tienen una multiplicidad de media hora desde el comienzo del día, permiten determinar con precisión las coordenadas geográficas y la velocidad del satélite.

La información no operativa contiene un almanaque que incluye:

• datos sobre el estado de todos los satélites del sistema;
• cambio de la escala de tiempo del satélite en relación con la escala del sistema;
• parámetros orbitales de todos los satélites del sistema;
• Corrección a la escala de tiempo del sistema Glonass.

La elección de la "constelación" óptima de naves espaciales y la previsión del desplazamiento Doppler de la frecuencia portadora se garantiza mediante el análisis del almanaque del sistema.

Los mensajes de navegación de los satélites del sistema Glonass se estructuran en forma de supertramas con una duración de 2,5 minutos. Una supertrama consta de cinco fotogramas con una duración de 30 s. Cada cuadro contiene 15 líneas con una duración de 2 s. De los 2 s de duración de la línea, los últimos 0,3 s están ocupados por la marca de tiempo. El resto de la línea contiene 85 caracteres de información digital transmitida a una frecuencia de 50 Hz.

Cada cuadro contiene la cantidad total de información operativa y parte del almanaque del sistema. El almanaque completo está contenido en toda la supertrama. En este caso, la información de supertrama contenida en las líneas 1 a 4 se refiere al satélite del que proviene (parte operativa) y no cambia dentro de la supertrama.

Estructura de las señales de radio de navegación GPS.

El sistema GPS utiliza división de código MA (CDMA), por lo que todos los satélites emiten señales en la misma frecuencia. Cada satélite GPS emite dos señales codificadas por desplazamiento de fase. La frecuencia de la primera señal es L1 = 1575,42 MHz y la segunda es L2 = 1227,6 MHz. La señal de frecuencia portadora L1 se modula mediante dos secuencias binarias, cada una de las cuales se forma sumando en módulo 2 el código del telémetro y los datos transmitidos del sistema y de navegación, generados a una velocidad de 50 bit/s. En la frecuencia L1, se transmiten dos componentes en cuadratura, secuencias binarias manipuladas bifásicamente. La primera secuencia es la suma en módulo 2 del código preciso del telémetro P o del código clasificado Y y los datos de navegación. La segunda secuencia es también la suma módulo 2 del código C/A (abierto) aproximado y la misma secuencia de datos de navegación.

La señal de radio L2 es manipulada bifásicamente por sólo una de las dos secuencias discutidas anteriormente. La selección de la secuencia moduladora se realiza mediante comando desde la Tierra.

Cada satélite utiliza códigos de telémetro C/A y P(Y) exclusivos para él, lo que permite separar las señales de los satélites. En el proceso de formación de un código P(Y) de alcance preciso, se forman simultáneamente marcas de tiempo de la señal del satélite.

Composición y estructura de los mensajes de navegación de los satélites GPS.

La división estructural de la información de navegación de los satélites GPS se realiza en supertramas, tramas, subtramas y palabras. Una supertrama se forma a partir de 25 fotogramas y tarda 750 s (12,5 min). Una trama se transmite en 30 segundos y tiene un tamaño de 1500 bits. La trama se divide en 5 subtramas de 300 bits cada una y se transmite en un intervalo de 6 s. El inicio de cada subtrama indica una marca de tiempo correspondiente al inicio/final del siguiente intervalo de tiempo del sistema GPS de 6 segundos. Una subtrama consta de 10 palabras de 30 bits. En cada palabra, los 6 bits menos significativos son bits de verificación.

En las subtramas 1, 2 y 3 se transmiten datos sobre los parámetros de corrección del reloj y datos de efemérides de la nave espacial con la que se establece la comunicación. El contenido y la estructura de estos subtramas siguen siendo los mismos en todas las páginas del supertrama. Las subtramas cuarta y quinta contienen información sobre la configuración y el estado de todas las naves espaciales en el sistema, almanaques de las naves espaciales, mensajes especiales, parámetros que describen la relación de la hora GPS con UTC, etc.

Algoritmos para recibir y medir parámetros de señales de radionavegación por satélite.

El segmento de consumidores de sistemas GPS y GLONASS incluye receptores de señales satelitales. Midiendo los parámetros de estas señales se soluciona el problema de la navegación. El receptor se puede dividir en tres partes funcionales:

• parte de radiofrecuencia;
• correlador digital;
• UPC.

Desde la salida del dispositivo alimentador de antena (antena), la señal pasa a la parte de radiofrecuencia (Fig. 7). La tarea principal de esta parte es amplificar la señal de entrada, filtrado, conversión de frecuencia y conversión de analógico a digital. Además, la frecuencia de reloj de la parte digital del receptor proviene de la parte de radiofrecuencia del receptor. Desde la salida de la parte de radiofrecuencia, las muestras digitales de la señal de entrada se envían a la entrada del correlador digital.

Figura 7. Estructura del receptor generalizada

En el correlador, el espectro de la señal se transfiere a la frecuencia "cero". Esto se hace multiplicando la señal de entrada del correlador con una oscilación armónica de referencia en los canales en fase y en cuadratura. A continuación, el resultado de la multiplicación se somete a un procesamiento de correlación multiplicando con el código del telémetro de referencia y acumulándolo durante el período del código del telémetro. Como resultado, obtenemos las integrales de correlación I y Q. Las lecturas de las integrales de correlación se envían al procesador para su posterior procesamiento y cierre de los bucles PLL (bucle de bloqueo de fase) y DLL (circuito de seguimiento de retardo). Las mediciones de los parámetros de la señal en el receptor no se realizan directamente a partir de la señal de entrada, sino a partir de su copia exacta generada por los sistemas fase-fase y CVD. Las integrales de correlación I y Q permiten estimar el grado de "similitud" (correlación) de las señales de referencia y de entrada. La tarea del correlador, además de formar las integrales I y Q, es formar una señal de referencia de acuerdo con las acciones de control (códigos de control) provenientes del procesador. Además, en algunos receptores el correlador genera las mediciones necesarias de las señales de referencia y las transmite al procesador para su posterior procesamiento. Al mismo tiempo, dado que las señales de referencia en el correlador se forman utilizando códigos de control provenientes del procesador, las mediciones necesarias de las señales de referencia se pueden realizar directamente en el procesador, procesando los códigos de control en consecuencia, que es lo que se hace en muchos Receptores modernos.

¿Qué parámetros de señal mide el correlador (procesador)?

El alcance en las mediciones de ingeniería de radio se caracteriza por el tiempo de propagación de la señal desde el objeto de medición hasta el punto de medición. En los sistemas de navegación GPS/GLONASS la emisión de señales se sincroniza con la escala de tiempo del sistema, o más precisamente, con la escala de tiempo del satélite que emite esta señal. Al mismo tiempo, el consumidor dispone de información sobre la discrepancia entre la escala de tiempo del satélite y del sistema. La información digital transmitida desde el satélite permite establecer el momento de emisión de un determinado fragmento de la señal (marca de tiempo) por parte del satélite en la hora del sistema. El momento de recibir este fragmento está determinado por la escala de tiempo del receptor. La escala de tiempo del receptor (consumidor) se forma utilizando estándares de frecuencia de cuarzo, por lo que hay un "desplazamiento" constante de la escala de tiempo del receptor en relación con la escala de tiempo del sistema. La diferencia entre el momento de recepción de un fragmento de señal, medido en la escala de tiempo del receptor, y el momento de emisión de su satélite, medido en la escala del satélite, multiplicado por la velocidad de la luz, se llama pseudodistancia. ¿Por qué pseudorango? Porque difiere del rango real en una cantidad igual al producto de la velocidad de la luz y el "desplazamiento" de la escala de tiempo del receptor en relación con la escala de tiempo del sistema. Al resolver un problema de navegación, este parámetro se determina junto con las coordenadas del consumidor (receptor).

Las integrales de correlación formadas en el correlador permiten rastrear la modulación de la señal del satélite mediante símbolos de información y calcular la marca de tiempo en la señal de entrada. Las marcas de tiempo siguen a intervalos de 6 s para GPS y 2 s para GLONASS y forman una especie de escala de 6 (2) segundos. Dentro de una división de esta escala, los períodos del código del telémetro forman una escala de 1 ms. Un milisegundo se divide, a su vez, en elementos individuales (chips, en terminología GPS): para GPS - 1023, para GLONASS - 511. Así, los elementos del código del telémetro permiten determinar con error la distancia al satélite de ~ 300 m Para una determinación más precisa es necesario conocer la fase del generador de códigos del telémetro. Los circuitos para construir los osciladores de referencia del correlador permiten determinar su fase con una precisión de hasta 0,01 períodos, lo que supone una precisión para determinar el pseudorango de 3 m.

A partir de las mediciones de los parámetros de la oscilación armónica de referencia generada por el sistema de bloqueo de fase, se determinan la frecuencia y la fase de la oscilación de la portadora del satélite. Su desviación con respecto al valor nominal dará como resultado un cambio de frecuencia Doppler, que se utiliza para estimar la velocidad del consumidor en relación con el satélite. Además, las mediciones de fase de la portadora permiten aclarar el alcance del satélite con un error de varios mm.

Para determinar las coordenadas del consumidor, es necesario conocer las coordenadas de los satélites (al menos 4) y la distancia del consumidor a cada satélite visible. Para que el consumidor pueda determinar las coordenadas de los satélites, las señales de navegación que emiten se modelan mediante mensajes sobre los parámetros de su movimiento. En el equipo de consumo se aíslan estos mensajes y se determinan las coordenadas de los satélites en el momento deseado.

Las coordenadas y componentes del vector de velocidad cambian muy rápidamente, por lo que los mensajes sobre los parámetros del movimiento de los satélites contienen información no sobre sus coordenadas y componentes del vector de velocidad, sino información sobre los parámetros de algún modelo que se aproxima a la trayectoria de la nave espacial. durante un intervalo de tiempo bastante largo (unos 30 minutos). Los parámetros del modelo de aproximación cambian con bastante lentitud y pueden considerarse constantes durante el intervalo de aproximación.

Los parámetros del modelo aproximado se incluyen en los mensajes de navegación por satélite. El sistema GPS utiliza el modelo de movimiento kepleriano con elementos osculadores. En este caso, la trayectoria de vuelo de la nave espacial se divide en tramos de aproximación que duran una hora. En el centro de cada sección se establece un punto nodal en el tiempo, cuyo valor se comunica al consumidor de información de navegación. Además, se informa al consumidor de los parámetros del modelo de los elementos osculadores en el punto nodal en el tiempo, así como de los parámetros de las funciones que aproximan los cambios en los parámetros del modelo de los elementos osculadores en el tiempo tanto antes del elemento nodal y siguiéndolo.

En el equipo de consumo, se asigna un intervalo de tiempo entre el momento en el que es necesario determinar la posición del satélite y el momento nodal. Luego, utilizando las funciones de aproximación y sus parámetros extraídos del mensaje de navegación, se calculan los valores de los parámetros del modelo de los elementos osculadores en el momento deseado. En la última etapa, utilizando las fórmulas habituales del modelo kepleriano, se determinan las coordenadas y componentes del vector de velocidad del satélite.

El sistema Glonass utiliza modelos de movimiento diferencial para determinar la posición exacta del satélite. En estos modelos, las coordenadas y componentes del vector de velocidad del satélite se determinan mediante la integración numérica de las ecuaciones diferenciales de movimiento de la nave espacial, teniendo en cuenta un número finito de fuerzas que actúan sobre la nave espacial. Las condiciones iniciales de integración se establecen en el momento nodal del tiempo, ubicado en el medio del intervalo de aproximación.

Como se mencionó anteriormente, para determinar las coordenadas del consumidor, es necesario conocer las coordenadas de los satélites (al menos 4) y la distancia desde el consumidor a cada satélite visible, que se determina en el receptor de navegación con una precisión de aproximadamente 1 m Por conveniencia, consideremos el caso "plano" más simple, que se muestra en la Fig. . 8.

Figura 8. Determinación de las coordenadas del consumidor.

Cada satélite (Fig. 8) se puede representar como un emisor puntual. En este caso, el frente de onda electromagnética será esférico. El punto de intersección de las dos esferas será aquel en el que se encuentre el consumidor.

La altitud de las órbitas de los satélites es de unos 20.000 km. En consecuencia, el segundo punto de intersección de los círculos puede descartarse debido a información a priori, ya que se encuentra lejos en el espacio.

Modo diferencial

Los sistemas de navegación por satélite permiten al consumidor obtener coordenadas con una precisión de entre 10 y 15 m. Sin embargo, para muchas tareas, especialmente la navegación en ciudades, se requiere una mayor precisión. Uno de los principales métodos para aumentar la precisión en la determinación de la ubicación de un objeto se basa en el uso del principio de mediciones de navegación diferencial, bien conocido en la radionavegación.

El modo DGPS diferencial (GPS diferencial) le permite establecer coordenadas con una precisión de hasta 3 m en una situación de navegación dinámica y hasta 1 m en condiciones estacionarias. El modo diferencial se implementa mediante un receptor de control GPS llamado estación de referencia. Está ubicado en un punto de coordenadas conocidas, en la misma zona que el receptor GPS principal. Al comparar las coordenadas conocidas (obtenidas como resultado de un estudio geodésico de precisión) con las medidas, la estación de referencia calcula las correcciones que se transmiten a los consumidores a través del canal de radio en un formato predeterminado.

El equipo de consumo recibe correcciones diferenciales de la estación de referencia y las tiene en cuenta al determinar la ubicación del consumidor.

Los resultados obtenidos mediante el método diferencial dependen en gran medida de la distancia entre el objeto y la estación de referencia. El uso de este método es más eficaz cuando predominan los errores sistemáticos causados ​​por causas externas (relativas al receptor). Según datos experimentales, se recomienda ubicar la estación de referencia a no más de 500 km del objeto.

Actualmente, existen muchos sistemas diferenciales de gran extensión, regionales y locales.

Como sistemas de área amplia cabe destacar sistemas como el WAAS americano, el EGNOS europeo y el MSAS japonés. Estos sistemas utilizan satélites geoestacionarios para transmitir correcciones a todos los consumidores dentro de su área de cobertura.

Los sistemas regionales están diseñados para proporcionar soporte de navegación para áreas individuales de la superficie terrestre. Normalmente, los sistemas regionales se utilizan en las grandes ciudades, en rutas de transporte y ríos navegables, en puertos y a lo largo de las costas de mares y océanos. El diámetro de la zona de trabajo del sistema regional suele oscilar entre 500 y 2000 km. Puede incluir una o más estaciones de referencia.

Los sistemas locales tienen un alcance máximo de 50 a 220 km. Suelen incluir una estación base. Los sistemas locales generalmente se dividen según el método de su aplicación: estaciones diferenciales locales marinas, de aviación y geodésicas.

Desarrollo de la navegación por satélite.

La dirección general de modernización de los sistemas satelitales GPS y Glonass está asociada con el aumento de la precisión de las definiciones de navegación, la mejora del servicio brindado a los usuarios, el aumento de la vida útil y la confiabilidad de los equipos satelitales a bordo, la mejora de la compatibilidad con otros sistemas de radio y la desarrollo de subsistemas diferenciales. La dirección general de desarrollo de los sistemas GPS y Glonass coincide, pero la dinámica y los resultados obtenidos son muy diferentes.

Está previsto que la mejora del sistema GLONASS se lleve a cabo sobre la base de los satélites GLONASS-M de nueva generación. Este satélite tendrá un mayor recurso de servicio y emitirá una señal de navegación en la banda L2 para aplicaciones civiles.

Una decisión similar se tomó en Estados Unidos, donde el 5 de enero de 1999 se anunció que se destinarían 400 millones de dólares a la modernización del sistema GPS asociado a la transmisión del código C/A en la frecuencia L2 (1222,7 MHz) y la introducción de una tercera portadora L3 (1176,45 MHz) en las naves espaciales que se lanzarán a partir de 2005. La señal en la frecuencia L2 está destinada a necesidades civiles que no están directamente relacionadas con el peligro para la vida humana. Se propone comenzar a aplicar esta decisión en 2003. Se decidió utilizar la tercera señal civil en la frecuencia L3 para las necesidades de la aviación civil.

Literatura

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2. Soloviev Yu.A. Sistemas de navegación por satélite. M.: Eco-Tendencias, 2000.
3. Sistema global de navegación por radio por satélite GLONASS / Ed. V.N. Kharisova, A.I. Perova, V.A. Boldín. Moscú: IPRZHR, 1998.
4. Lipkin I.A. Sistemas de navegación por satélite. M.: Libro Universitario, 2001.
5. Sistema global de navegación por satélite GLONASS. Documento de control de interfaz. M.: TEJIDO VKS, 1995.
6. Documento de control de interfaz: Segmento espacial GPS NAVSTAR / Interfaces de usuario de navegación (ICD-GPS-200). Aeropuerto Internacional Rockwell. Corp. 1987.

Hoy en día es difícil encontrar un área de desarrollo socioeconómico en la que no se puedan utilizar los servicios de navegación por satélite. La aplicación más relevante de las tecnologías GLONASS sigue siendo la industria del transporte, incluida la navegación marítima y fluvial, el transporte aéreo y terrestre. Al mismo tiempo, según los expertos, alrededor del 80% de los equipos de navegación se utilizan en el transporte por carretera.

TRANSPORTE TERRESTRE

Una de las principales áreas de aplicación de la navegación por satélite es la vigilancia del transporte. Este servicio es más importante para empresas industriales, de construcción y de transporte. Los equipos de navegación que reciben señales del sistema GLONASS permiten determinar la ubicación del vehículo, las lecturas de los sensores de medición pueden garantizar tanto la seguridad del transporte de pasajeros como la comodidad y optimización del funcionamiento de los vehículos comerciales, y eliminar su uso indebido. La implementación del sistema permite a los propietarios de flotas reducir sus costes de mantenimiento entre un 20 y un 30% en 4-6 meses.

Una de las tecnologías implementadas en Rusia basada en la navegación por satélite es el Sistema de Transporte Inteligente (ITS). Incluye el seguimiento del transporte de cargas peligrosas, voluminosas y pesadas, el seguimiento del horario de trabajo y descanso de los conductores, la gestión y despacho del transporte de pasajeros y la información a los pasajeros del transporte urbano.

La eficacia del uso de los servicios de navegación por satélite en el transporte terrestre se puede evaluar según los siguientes criterios:

• reducción del número de accidentes de tráfico, así como de muertes y lesiones en accidentes de tráfico, reducción del tiempo de respuesta a los accidentes de tráfico;
• reducir el tiempo de viaje, aumentar el atractivo del transporte público;
• mejorar la calidad del gasto de los fondos presupuestarios.

Según los expertos, gracias a la introducción de sistemas de transporte inteligentes, el crecimiento del PIB de Rusia podría alcanzar el 4-5% anual.

El transporte municipal y público de los territorios de Altai, Krasnodar, Krasnoyarsk, Stavropol, Khabarovsk, Astrakhan, Belgorod, Vologda, Kaluga, Kurgan, Magadan, Moscú, Nizhny Novgorod, Novosibirsk, Penza, Rostov, Samara están equipados con tecnologías de seguimiento, navegación e información. basado en los servicios del sistema GLONASS , Saratov, Tambov, regiones de Tyumen, Moscú, las repúblicas de Mordovia, Tartaristán, Chuvashia. En toda Rusia, los elementos ITS se han implementado y funcionan eficazmente en más de 100 ciudades.

BÚSQUEDA Y RESCATE

En las ambulancias y en los vehículos del Ministerio de Situaciones de Emergencia se instalan equipos que reciben señales de los satélites de navegación. El apoyo en tiempo coordinado basado en datos satelitales permite que equipos de médicos y rescatistas lleguen más rápidamente a los lugares de emergencia para brindar asistencia a las víctimas. Utilizando GLONASS, se rastrea la ubicación y el movimiento de grupos de bomberos.

Uno de los ejemplos ilustrativos del uso de la navegación global por satélite con el fin de salvar vidas humanas es el sistema ERA-GLONASS (respuesta de emergencia en caso de accidentes). Su tarea principal es determinar el hecho de un accidente de tráfico y transmitir datos al servidor de respuesta. Si un automóvil choca, el terminal de navegación y telecomunicaciones instalado en él determina automáticamente las coordenadas, establece una conexión con el centro servidor del sistema de monitoreo y transmite datos sobre el accidente a través de canales de comunicación celular al operador. Estos datos permiten determinar la naturaleza y gravedad de un accidente y realizar una respuesta inmediata por parte de las ambulancias. El uso de datos del Sistema Global de Navegación por Satélite a través de ERA-GLONASS puede reducir significativamente la tasa de mortalidad por lesiones resultantes de accidentes de tráfico.

Otra área de aplicación de GLONASS en aras de salvar vidas humanas es la combinación de la navegación global por satélite con el Sistema Internacional de Búsqueda y Rescate COSPAS-SARSAT. Esta función se proporciona en la nave espacial de navegación Glonass-K de última generación. Ya en la etapa de pruebas de vuelo, el satélite Glonass-K No. 11 en marzo de 2012, a través de un repetidor de este sistema, transmitió una señal de socorro sobre un helicóptero canadiense estrellado, gracias a lo cual la tripulación se salvó.

NAVEGACIÓN PERSONAL

Los conjuntos de chips con receptores de navegación GLONASS se utilizan en teléfonos inteligentes, tabletas, cámaras digitales, dispositivos de fitness, rastreadores portátiles, computadoras portátiles, navegadores, relojes, gafas y otros dispositivos. La navegación personal se está convirtiendo en el principal campo de aplicación de las tecnologías de navegación por satélite.

El uso de tecnologías GNSS ha contribuido al surgimiento de deportes y actividades al aire libre completamente nuevos. Un ejemplo de esto es el geocaching, un juego turístico que utiliza sistemas de navegación por satélite, cuyo objetivo es encontrar cachés escondidos por otros participantes en el juego. Otro nuevo deporte de geoetiquetado son las carreras a campo traviesa que utilizan coordenadas satelitales predeterminadas.

Un área prometedora para el uso de las tecnologías GLONASS son los sistemas sociales que brindan asistencia a personas con discapacidades o niños pequeños. Mediante un equipo de navegación con interfaz de voz, una persona ciega puede determinar el camino hasta una tienda, una clínica, etc. Los propietarios de dichos dispositivos pueden, en caso de peligro o deterioro brusco de la salud, pedir ayuda de emergencia presionando el botón de pánico. Un rastreador satelital personal puede ayudar a los padres a rastrear la ubicación de sus hijos en línea para controlar su seguridad.

AVIACIÓN

En la aviación, los receptores de navegación están integrados en los sistemas de navegación aérea a bordo que proporcionan navegación en ruta y aproximaciones de aterrizaje en condiciones climáticas difíciles. La navegación por satélite es de gran importancia para garantizar el aterrizaje de aviones pequeños en aeródromos no equipados. Los sistemas de navegación basados ​​en GLONASS aumentan la seguridad de la navegación de helicópteros y aumentan la precisión de la navegación de vehículos aéreos no tripulados.

TRANSPORTE ACUÁTICO

El uso de tecnologías GNSS para fines marítimos y fluviales en Rusia se acerca al 100%. La capacidad del mercado ruso se estima en 18.560 unidades de transporte acuático, incluidos buques fluviales y marítimos de carga y de pasajeros. Las tecnologías GLONASS se utilizan en la navegación para guiar embarcaciones y maniobrar en condiciones difíciles (esclusas, puertos, canales, estrechos, condiciones del hielo), navegación en vías navegables interiores, seguimiento y contabilidad de la flota y operaciones de rescate.

El crecimiento del tráfico a lo largo de la Ruta del Mar del Norte, que puede reducir significativamente el tiempo de entrega de mercancías desde la región de Asia y el Pacífico a Europa, conduce a un aumento de la intensidad del transporte marítimo en una zona con condiciones climáticas extremadamente duras. En condiciones de tormentas y niebla densa, es difícil garantizar la seguridad del tráfico marítimo sin navegación por satélite.

GEODESIA Y CARTOGRAFÍA

Las tecnologías GLONASS se utilizan en el catastro de ciudades y territorios, en la planificación y gestión del desarrollo territorial y en la actualización de mapas topográficos. El uso de tecnologías GLONASS acelera y reduce el costo de crear mapas y actualizarlos; en algunos casos, no hay necesidad de costosas fotografías aéreas ni estudios topográficos que requieren mucha mano de obra. En la Federación de Rusia, el volumen actual del mercado de equipos geodésicos basados ​​en GNSS se estima en 2,3 mil unidades.

AMBIENTE

La comunidad científica utiliza activamente datos de navegación para observaciones e investigaciones de la Tierra. GLONASS promueve el desarrollo de métodos y herramientas diseñados para resolver problemas fundamentales de geodinámica, la formación del sistema de coordenadas de la Tierra, la construcción de un modelo de la Tierra, la medición de mareas, corrientes y el nivel del mar, la determinación y sincronización del tiempo, la localización de derrames de petróleo y la recuperación. terreno después de la eliminación de residuos peligrosos.

Las señales de navegación de las naves espaciales GLONASS desempeñan un papel importante en el estudio de los procesos sísmicos. Utilizando datos satelitales, es posible registrar los procesos de desplazamiento de placas tectónicas con mayor precisión que mediante equipos terrestres. Además, las perturbaciones en la ionosfera, registradas mediante satélites de navegación, proporcionan a los científicos datos sobre los movimientos de aproximación de la corteza terrestre. Así, la navegación global por satélite permite predecir terremotos y minimizar sus consecuencias para los humanos. Las tecnologías basadas en GLONASS también ayudan a monitorear carreteras y vías férreas en áreas montañosas propensas a avalanchas.

NAVEGACIÓN ESPACIAL

En la industria espacial, las tecnologías GLONASS se utilizan para rastrear vehículos de lanzamiento, determinar con alta precisión las órbitas de las naves espaciales, determinar la orientación de una nave espacial con respecto al Sol y para la observación, el control y la designación de objetivos precisos de los sistemas de defensa antimisiles.

En particular, los siguientes equipos están equipados con equipos de navegación por satélite GLONASS o GLONASS/GPS: el vehículo de lanzamiento Proton-M, el vehículo de lanzamiento Soyuz, las etapas superiores Breeze, Fregat, DM y la nave espacial Meteor-M, “Ionosfera”. , “Canopus-ST”, “Condor-E”, “Bars-M”, “Lomonosov”, así como complejos ferroviarios móviles utilizados para el transporte de vehículos de lanzamiento y componentes de combustible para cohetes.

En la industria espacial, una gran cantidad de proyectos requieren un conocimiento de alta precisión de las órbitas de las naves espaciales para resolver problemas de teledetección de la Tierra, reconocimiento, cartografía, seguimiento del estado del hielo, situaciones de emergencia, así como en el campo del estudio de la Tierra. y el océano mundial, construyendo un modelo dinámico de alta precisión del geoide, modelos dinámicos de alta precisión de la ionosfera y la atmósfera. Al mismo tiempo, se requiere una precisión del conocimiento de la posición de los objetos a nivel de varios centímetros; métodos especiales para procesar las mediciones del sistema GLONASS desde los receptores ubicados a bordo de la nave espacial pueden resolver con éxito este problema.

CONSTRUCCIÓN

En Rusia, las tecnologías GLONASS se utilizan para monitorear equipos de construcción, así como para monitorear el desplazamiento de la carretera, monitorear deformaciones de objetos lineales estacionarios y en sistemas de control para equipos de construcción de carreteras.

Los servicios de navegación por satélite ayudan a determinar la ubicación de objetos geográficos con precisión centimétrica al tender oleoductos y gasoductos, líneas eléctricas y aclarar los parámetros del terreno durante la construcción de edificios y estructuras, y la construcción de carreteras. Según expertos nacionales y extranjeros, el uso de GLONASS aumenta la eficiencia de los trabajos de construcción y catastrales en un 30-40%.

El uso de los servicios GLONASS le permite transmitir rápidamente información sobre el estado de estructuras de ingeniería complejas y objetos potencialmente peligrosos, como presas, puentes, túneles, empresas industriales y centrales nucleares. Con la ayuda del monitoreo satelital, los especialistas reciben información oportuna sobre la necesidad de diagnósticos adicionales de estas estructuras y su reparación.

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

GLONASS se utiliza para el registro temporal de transacciones monetarias en acciones, divisas y materias primas. Una forma continua y precisa de registrar las transferencias y la capacidad de rastrearlas es la base del funcionamiento de los sistemas comerciales internacionales para el comercio interbancario. Los mayores bancos de inversión utilizan GLONASS para sincronizar las redes informáticas de sus divisiones en toda Rusia. El intercambio unido MICEX-RTS utiliza señales horarias GLONASS para registrar con precisión las cotizaciones al realizar transacciones. Los equipos GLONASS, utilizados en interés de la infraestructura de telecomunicaciones, brindan soluciones a los problemas de sincronización de las redes de comunicación.

ARMAS

El sistema GLONASS es de particular importancia para la eficiencia de la resolución de problemas por parte de las Fuerzas Armadas y usuarios especiales. El sistema se utiliza para resolver problemas de apoyo en tiempo coordinado para todos los tipos y ramas de tropas, incluso para aumentar la eficiencia del uso de armas de alta precisión, aviones no tripulados y el mando y control operativo de las tropas.

Los sistemas de seguimiento por satélite le permiten rastrear la ubicación de un objeto de seguimiento en cualquier parte del mundo. Se logra una precisión asombrosa mediante el uso de los últimos avances tecnológicos, diseñados por los mejores especialistas de todo el mundo.

Estos sistemas son una palabra nueva en el mundo de la gestión de sistemas de transporte; gracias al uso del seguimiento satelital del transporte, es posible establecer un sistema logístico y reducir los costos de transporte al encontrar rápidamente rutas y rutas de salida para la entrega de mercancías al consumidor.

Estos sistemas de monitoreo fueron desarrollados para implementar programas gubernamentales complejos y críticos, lo que habla de la confiabilidad de su diseño y eficiencia operativa. Hoy en día, estos sistemas están disponibles para los consumidores comunes.

Hoy en día, los sistemas de seguimiento por satélite son utilizados por grandes empresas de logística y transporte. Al mismo tiempo, los costos de compra de un sistema de monitoreo están justificados: se amortizan por sí solos dentro de varios períodos de uso de informes.

Han demostrado su eficacia en muchas áreas, sus capacidades aumentan cada año y el costo de adquisición es cada vez más asequible no sólo para las grandes corporaciones transnacionales, sino también para las empresas más pequeñas.

Por tanto, estos sistemas son utilizados eficazmente por pequeñas empresas que prestan servicios de transporte, incluidos los servicios de taxi. Dicho monitoreo en la industria del taxi le permite rastrear de manera rápida y precisa la ubicación del automóvil, ahorrando así recursos humanos y, con el tiempo, puede automatizar el sistema de servicio de taxi y aumentar la eficiencia operativa.

Nuestros sistemas son lo que la sociedad moderna necesita, algo que hará la vida más segura y los negocios más eficientes.

Monitoreo satelital del transporte.

GLONASS

Información general GLONASS

El Sistema Ruso de Navegación Global por Satélite (GLONASS) está diseñado para la navegación global operativa y el soporte horario para un número ilimitado de consumidores terrestres, marítimos, aéreos y espaciales. El sistema se puso en funcionamiento en 1993.

GLONASS es un sistema gubernamental que se desarrolló como un sistema de doble uso destinado a las necesidades del Ministerio de Defensa y de los consumidores civiles.

Desde 1996, a propuesta del Gobierno de la Federación de Rusia, GLONASS, junto con el GPS estadounidense, ha sido utilizado por la Organización de Aviación Civil Internacional y la Organización Marítima Internacional.

De conformidad con el Decreto del Presidente de la Federación de Rusia, el acceso a las señales de navegación civil del sistema GLONASS se proporciona a los consumidores rusos y extranjeros de forma gratuita y sin restricciones.

La base de la constelación orbital GLONASS son los satélites de nueva generación.<Глонасс-М>. En un futuro próximo está previsto comenzar las pruebas de vuelo de naves espaciales de nueva generación.<Глонасс-К>con características técnicas comparables a los mejores análogos del mundo.

Las responsabilidades de la gestión y operación del sistema GLONASS están asignadas al Ministerio de Defensa de la Federación de Rusia.

Historia del desarrollo del sistema.

El primer satélite GLONASS fue puesto en órbita por la Unión Soviética el 12 de octubre de 1982. El 24 de septiembre de 1993 se aceptó oficialmente el funcionamiento del sistema con una constelación orbital de 12 satélites. En diciembre de 1995, la constelación de satélites se amplió hasta alcanzar su máxima potencia: 24 satélites.

Debido a la financiación insuficiente, así como a la corta vida útil, en 2001 el número de satélites en funcionamiento se redujo a 6.

En agosto de 2001 se adoptó el programa federal "Sistema de Navegación Global", según el cual a principios de 2008 estaba prevista una cobertura total del territorio de Rusia y a principios de 2010 el sistema alcanzaría una escala global. Para solucionar este problema, en 2007, 2008 y 2009 estaba previsto realizar seis lanzamientos del vehículo de lanzamiento y poner en órbita 18 satélites, de modo que a finales de 2009 la constelación volvería a estar formada por 24 vehículos.

A finales de marzo de 2008, el Consejo de Diseñadores Jefes del Sistema Ruso de Navegación Global por Satélite (GLONASS), reunido en el Instituto Ruso de Investigación de Instrumentación Espacial, ajustó ligeramente el calendario de despliegue del segmento espacial GLONASS. Los planes anteriores asumían que sería posible utilizar el sistema en Rusia antes del 31 de diciembre de 2007; sin embargo, esto requirió 18 satélites en funcionamiento, algunos de los cuales habían llegado al final de su vida útil de garantía y dejaron de funcionar. Así, aunque en 2007 se cumplió el plan de lanzamiento de satélites GLONASS (seis satélites entraron en órbita), la constelación orbital al 27 de marzo de 2008 incluía sólo dieciséis satélites en funcionamiento. El 25 de diciembre de 2008, el número se incrementó a 18 satélites.
En el consejo de diseñadores jefes de GLONASS se ajustó el plan de implementación del sistema con el objetivo de que el sistema GLONASS esté operativo en Rusia al menos el 31 de diciembre de 2008. Los planes anteriores preveían el lanzamiento en órbita de dos tripletes de nuevos satélites Glonass-M en septiembre y diciembre de 2008; sin embargo, en marzo de 2008 se revisaron los calendarios de producción de satélites y cohetes para permitir que todos los satélites estuvieran operativos a finales de año. Se suponía que los lanzamientos se realizarían dos meses antes y que el sistema estaría operativo en Rusia a finales de año. Los planes se implementaron a tiempo.

En noviembre de 2009, se anunció que el Instituto Ucraniano de Investigación de Mediciones de Ingeniería de Radio (Járkov) y el Instituto Ruso de Investigación de Instrumentación Espacial (Moscú) crearían una empresa conjunta. Las partes crearán un sistema de navegación por satélite para atender a los consumidores de los dos países. El proyecto utilizará estaciones de corrección ucranianas para aclarar las coordenadas de los sistemas GLONASS.

El 15 de diciembre de 2009, en una reunión entre el primer ministro ruso Vladimir Putin y el jefe de Roscosmos, Anatoly Perminov, se afirmó que el despliegue de GLONASS estaría completo a finales de 2010.

Con la transición a los satélites Glonass-K, la precisión del sistema GLONASS será comparable a la precisión del sistema de navegación GPS estadounidense NAVSTAR, el único sistema de navegación implementado en el extranjero.

02 de septiembre de 2010 La constelación de satélites se reponía con 3 satélites más y el número total de satélites de la constelación se incrementó a 26 unidades.

GPS

Historia

La idea de crear navegación por satélite nació allá por los años 50. En el momento en que la URSS lanzó el primer satélite terrestre artificial, los científicos estadounidenses dirigidos por Richard Kershner observaron la señal que emanaba del satélite soviético y descubrieron que, gracias al efecto Doppler, la frecuencia de la señal recibida aumenta a medida que el satélite se acerca y disminuye. mientras se aleja. La esencia del descubrimiento fue que si conoces exactamente tus coordenadas en la Tierra, entonces es posible medir la posición y la velocidad del satélite, y viceversa, conociendo exactamente la posición del satélite, puedes determinar tu propia velocidad y coordenadas. .

Esta idea se hizo realidad 20 años después. El primer satélite de prueba fue puesto en órbita el 14 de julio de 1974 por los Estados Unidos, y el último de los 24 satélites necesarios para cubrir completamente la superficie terrestre fue puesto en órbita en 1993, poniendo así en servicio el GPS. Se hizo posible utilizar el GPS para apuntar con precisión misiles a objetos estacionarios y luego en movimiento en el aire y en tierra.

Inicialmente, el GPS, un sistema de posicionamiento global, se desarrolló como un proyecto puramente militar. Pero después de que un avión de Korean Airlines con 269 pasajeros a bordo fuera derribado en 1983, el presidente estadounidense Ronald Reagan permitió el uso parcial del sistema de navegación con fines civiles. Para evitar el uso del sistema con fines militares, la precisión se redujo mediante un algoritmo especial.

Luego apareció información de que algunas empresas habían descifrado el algoritmo para reducir la precisión en la frecuencia L1 y estaban compensando con éxito este componente del error. En 2000, esta reducción de la precisión fue cancelada por orden ejecutiva del presidente de los Estados Unidos.

Estaciones de control terrestre del segmento espacial

La constelación orbital es monitoreada desde la estación de control principal ubicada en la Base de la Fuerza Aérea Schriever, Colorado, EE. UU. y con la ayuda de 10 estaciones de seguimiento, de las cuales tres son capaces de enviar datos de corrección a los satélites en forma de señales de radio con un frecuencia de 2000-4000 MHz. Los satélites de última generación distribuyen los datos recibidos entre otros satélites.

Aplicación de GPS

Aunque el proyecto GPS originalmente estaba destinado a fines militares, hoy en día el GPS se utiliza cada vez más con fines civiles. Los receptores GPS se venden en muchas tiendas de electrónica y están integrados en teléfonos móviles, smartphones, PDA y embarcadores. También se ofrecen a los consumidores diversos dispositivos y productos de software que les permiten ver su ubicación en un mapa electrónico; tener la capacidad de trazar rutas teniendo en cuenta las señales de tráfico, giros permitidos e incluso atascos; busque en el mapa casas y calles específicas, atracciones, cafés, hospitales, gasolineras y otra infraestructura.

• Geodesia: mediante GPS se determinan las coordenadas exactas de puntos y límites de terrenos.
• Cartografía: El GPS se utiliza en cartografía civil y militar.
• Navegación: El GPS se utiliza tanto para la navegación marítima como por carretera.
• El GPS se utiliza para monitorear la posición y velocidad de los vehículos y controlar su movimiento.
• Celular: Los primeros teléfonos móviles con GPS aparecieron en los años 90. En algunos países, como EE. UU., esto se utiliza para determinar rápidamente la ubicación de una persona que llama al 911. En Rusia, se lanzó un proyecto similar en 2010: Era-GLONASS.
• Tectónica, Tectónica de Placas: El GPS se utiliza para observar los movimientos y vibraciones de las placas.
• Recreación activa: existen diversos juegos que utilizan GPS, por ejemplo, Geocaching, etc.
• Geoetiquetado: la información, como las fotografías, se “vincula” a las coordenadas gracias a receptores GPS integrados o externos.

Exactitud

La precisión típica de los receptores GPS modernos en el plano horizontal es de aproximadamente 10 a 12 metros con buena visibilidad satelital (igual que GLONASS). En Estados Unidos y Canadá existen estaciones WAAS que transmiten correcciones en modo diferencial, lo que permite reducir el error a 1-2 metros en el territorio de estos países. cuando se utilizan modos diferenciales más complejos, la precisión para determinar las coordenadas se puede aumentar a 10 cm. Desafortunadamente, la precisión de cualquier SNA depende en gran medida de la apertura del espacio, de la altura de los satélites utilizados sobre el horizonte.

Hoy en día, la navegación es algo necesario y muy popular. En los últimos años, los chips de navegación en dispositivos móviles y otros dispositivos electrónicos se han vuelto comunes. Existen sistemas de navegación GPS y GLONASS, averigüemos qué es cada uno de ellos y estudiemos los principios de funcionamiento.

¿Qué es el GPS?

GPS (Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema de navegación por satélite que mide la distancia, el tiempo y determina la ubicación en el sistema de coordenadas mundiales WGS 84. Este sistema le permite determinar la ubicación y la velocidad de objetos en casi cualquier lugar del planeta (con excepción). de las regiones polares).

El desarrollo del GPS comenzó en la década de 1950 para el Departamento de Defensa de EE. UU., pero ahora la tecnología se utiliza no sólo en el ejército, sino también en la vida cotidiana. En ese momento, la URSS lanzó el primer satélite artificial de la Tierra y los científicos estadounidenses que observaron este evento notaron que, debido al efecto Doppler, la frecuencia de la señal recibida aumenta a medida que el satélite se acerca y disminuye a medida que aumenta su distancia. Llegaron a la conclusión de que si tienes información sobre tus coordenadas exactas en la Tierra, puedes medir la posición y la velocidad del satélite, y sabiendo dónde está el satélite, puedes calcular tu propia velocidad y coordenadas.

El sistema GPS consta de satélites artificiales que orbitan en la órbita terrestre media (el sistema de satélites NAVSTAR desarrollado en EE. UU.) y estaciones de seguimiento terrestres combinadas en una red común. Los satélites transmiten continuamente una señal de navegación a la Tierra, incluido un "código pseudoaleatorio", datos de efemérides (coordenadas previstas y parámetros del movimiento del satélite en un momento determinado) y almanaque (datos para calcular la ubicación aproximada del satélite). Esta señal es recibida por los dispositivos GPS del suscriptor, quienes, en base a la información recibida, calculan su geoposición.

Una de las desventajas de la tecnología GPS es la baja velocidad de transferencia de datos (hasta 50 bits/s), por lo que el proceso de cálculo de coordenadas puede tardar varios minutos. Además, el sistema GPS resulta ineficaz para determinar las coordenadas de un dispositivo que se encuentra en interiores, en zonas rodeadas de edificios altos, en bosques y parques, túneles, etc.

¿Qué es A-GPS?

Para eliminar estos problemas y poder determinar las coordenadas de cualquier dispositivo móvil, se creó la tecnología A-GPS (GPS asistido). Cuando se utiliza, el receptor GPS no recibe datos de satélites, sino de fuentes externas (por regla general, son redes de operadores de telefonía móvil) y el reconocimiento de la señal A-GPS tarda menos de 2 segundos.

Los autores de la idea de crear A-GPS fueron los ingenieros Jimi Sennota y Ralph Taylor, quienes patentaron su desarrollo en 1981. El sistema se introdujo en octubre de 2001 en Estados Unidos, donde comenzó a utilizarse a través de la red 911.

A-GPS consta de un receptor GPS integrado y componentes de red de red móvil. A-GPS tiene dos modos: A-GPS Online (principal) y A-GPS Offline (auxiliar). El primero le permite obtener información sobre las coordenadas de los satélites si necesita determinar rápidamente su geoposición si el receptor GPS no ha funcionado durante más de 2 horas. El segundo modo acelera los tiempos de inicio "caliente" y "frío" del receptor GPS. El receptor A-GPS actualiza el almanaque, efemérides y lista de satélites visibles.

A pesar de su eficacia, la tecnología A-GPS tiene una serie de desventajas, en particular, la función de inicio acelerado no funciona fuera del área de cobertura de la red celular. Algunos receptores compatibles con A-GPS se combinan con un módulo de radio GSM y no pueden iniciarse si este último está desactivado. En este caso, el receptor A-GPS puede funcionar sin cobertura GSM (GPRS). Al inicio, los módulos A-GPS consumen poco tráfico (5-7 KB), pero si se pierde la señal será necesaria una resincronización, lo que supondrá un mayor consumo energético, especialmente en roaming.

¿Qué es GLONASS?

Actualmente, existen dos sistemas de navegación por satélite en el mundo: el GPS y GLONASS (Sistema Global de Navegación por Satélite) descritos anteriormente. De hecho, esta última es una versión rusa del GPS. Por analogía con el GPS, GLONASS determina coordenadas tridimensionales (latitud, altitud, longitud) en todo el mundo.

El inicio del desarrollo del sistema de satélites soviético en aquella época se remonta a diciembre de 1976. En octubre de 1982, con la puesta en órbita del satélite GLONASS “Uragan”, comenzaron las primeras pruebas del sistema. Inicialmente fue concebido para necesidades militares, pero luego comenzó a utilizarse con fines civiles. Ahora los receptores GLONASS están equipados con barcos y aviones civiles/militares, transporte público, vehículos de emergencia, etc. Las señales GLONASS no solo las reciben los receptores GPS y los navegadores de a bordo, sino también los teléfonos móviles. Los datos sobre la posición, la velocidad y la dirección del movimiento se envían a través de la red del operador GSM al servidor de recopilación de datos.

El uso civil del sistema GLONASS comenzó en 1993, en 1995 se pusieron en órbita 24 satélites y en 2010 su número aumentó a 26. Para el desarrollo del sistema de 2012 a 2020, el gobierno ruso asignó 320 mil millones de rublos, incluso para el creación de 15 satélites Glonass-M y 22 satélites Glonass-K. El trabajo en el sistema GLONASS finalizó en diciembre de 2015.

Los satélites GLONASS orbitan a una altitud de 19,1 mil km sobre la Tierra. Los receptores GLONASS permiten determinar las coordenadas horizontales (con una precisión de 50-70 m) y verticales (70 m), el vector de velocidad (con una precisión de 15 cm/seg) y el tiempo con una precisión de 0,7 μs. El sistema utiliza dos tipos de señales de navegación: abiertas con precisión normal y protegidas con mayor precisión. Los primeros pueden recibir cualquier receptor GLONASS, mientras que los segundos sólo pueden ser recibidos por usuarios autorizados, por ejemplo, equipos de las Fuerzas Armadas de Rusia.

¿Qué es ERA-GLONASS?

"ERA-GLONASS" es un sistema ruso de respuesta a emergencias en caso de accidentes y otras situaciones de emergencia en la carretera, que le permite informar al servicio de emergencia sobre el incidente lo antes posible. "ERA-GLONASS" funciona sobre la base del sistema de satélites GLONASS. El complejo se puso en funcionamiento en 2015 y, a partir del 1 de enero de 2017, los fabricantes de automóviles deberán instalar este sistema en sus vehículos que entren en el mercado ruso. Este sistema reduce el tiempo de respuesta en caso de accidentes y emergencias, lo que conlleva una disminución del número de muertes y heridos en las carreteras y un aumento del transporte de mercancías y pasajeros.

"ERA-GLONASS" incluye dos componentes: la infraestructura del operador (plataforma de navegación e información, red de transmisión de datos, red del operador de telefonía móvil) y los dispositivos que equipan los vehículos. En caso de accidente de tráfico (el sistema reconoce varios tipos de colisión: frontal, lateral o trasera), el dispositivo determina la gravedad del accidente y la ubicación del vehículo accidentado basándose en datos satelitales de GLONASS y/o sistemas GPS. , y establece una conexión con el sistema ERA-GLONASS y transmite información sobre el accidente. La señal tiene estado de prioridad y se transmite a través de cualquier operador de telefonía móvil con la señal más fuerte en un lugar determinado. Sin embargo, si la red está sobrecargada de llamadas telefónicas, es posible que se interrumpan para la transmisión de la señal.