Журнал "Компьютерра" №739 - Компьютерра

Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с Земли, но в связи с небольшим запасом топлива на борту делается это только в исключительных случаях. Обычно в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника размещено несколько (три-четыре) эталонов времени и час тоты ("атомные часы"), но работает всегда только один эталон.

Подсистема контроля и управления состоит из центра и сети вспомогательных станций (чем шире они разбросаны, тем лучше). В задачи подсистемы входит котроль правильности функционирования спутников, уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При движении спутника в зоне видимости станции та осуществляет наблюдение за аппаратом, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и отправляет их в центр управления. Там происходит дальнейшая обработка информации и вычисляются координатные/корректирующие данные, подлежащие загрузке в бортовой компьютер спутника. При этом используется наземный эталон времени и частоты (более точный) для синхронизации бортовых "атомных часов" спутников.

Орбитальная группировка NAVSTAR управляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Шривер (штат Колорадо), и с помощью десяти станций слежения. Главная контрольная станция Глонасс (Космические войска России) расположена в Краснознаменске, а семь станций слежения разбросаны от Санкт-Петербурга до Камчатки.

1. Вычислив расстояние от спутника 1 до приемника, представим сферу, где центром будет спутник 1.

2. Вычислив расстояние от приемника до спутника 2, представим себе вторую сферу. Области пересечения двух сфер описывают место нашего предполагаемого нахождения.

3. Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника 3. Одна из двух точек в месте пересечения трех предполагаемых сфер и будет искомым местом (одна из них располагается высоко над поверхностью Земли и в большинстве случаев может быть исключена).

4. Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется четвертый спутник.

Задача определения пользователем своего местоположения является довольно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности прежде необходимо вычислить координаты нескольких спутников. Ведь спутники постоянно движутся, соответственно и координаты их меняются. Для оперативного просчета и уменьшения вычислительной мощности (читай, размеров и стоимости) пользовательской аппаратуры вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления. В нем по результатам наблюдений за спутниками делается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени. Во время сеансов связи эти данные передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке, можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Набор сведений, описывающий текущее состояние навигационной системы в целом (включая "загрубленные" эфемериды) и применяемый для поиска видимых спутников/выбора оптимального созвездия, именуется альманахом. Спутниковые передатчики постоянно транслируют навигационные сообщения, содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Передача осуществляется на тех же частотах, что и дальномерный код (с невеликой скоростью 50 бит/с). Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет координаты спутника.

Зная точное расстояние от спутника до Земли и эталонное время распространения радиосигнала, приемная аппаратура может вычислить расстояние от спутника до пользовательского приемника. Выяснив расстояние до нескольких спутников, можно определить свое местоположение (см. врезку на предыдущей странице). Конечно, на практике все гораздо сложнее: нужно учитывать влияние ионосферы и тропосферы, где сигнал замедляется; естественные и искусственные препятствия для прохождения радиоволн; отражение сигнала от различных поверхностей и т. д.

Располагая даже новейшим приемником для гражданского применения, максимальная точность, на которую можно рассчитывать, используя группировку NAVSTAR, составляет 2–5 метров. Для сравнения, геодезическое оборудование обеспечивает точность до одного метра, а военное - до нескольких сантиметров (!). Дело в том, что для разных потребителей передается разный сигнал и применяется совершенно разная аппаратура (например, в геодезических приемниках ради точности приносятся в жертву цена, габариты, масса и энергопотребление).

Значительно повысить аккуратность определения координат позволяют дифференциальные поправки, делающиеся на основе данных наземных станций и/или дополнительных спутников. Наиболее развитой вспомогательной широкозонной местной системой позиционирования (их принято именовать аббревиатурой SBAS) считается американская WAAS, созданная по инициативе Управления гражданской авиацией США. Она включает четыре десятка наземных станций, разбросанных по всей территории Северной Америки, и два спутника. Своими широкозонными, накрывающими целый регион, системами располагают также Евросоюз (EGNOS может работать и с NAVSTAR, и с Galileo), Япония (MSAS), Индия и Китай; кроме того, несколько подобных служб (StarFire и OmniSTAR) находятся в частном ведении. В России такой системы, к сожалению, пока нет.

На прошедшем в марте Втором международном семинаре по спутниковой навигации и мониторингу в России прозвучал любопытный доклад Вадима Костерина о дифференциальной коррекции навигационных данных в системах спутникового мониторинга при определении транспортных издержек. Вадим Костерин - сотрудник кафедры информационных систем Южно-Уральского государственного университета.

Суть поднятой им проблемы состоит в минимизации флуктуаций показаний неподвижного навигационного приемника.

Человеку, не знакомому с тонкостями работы навигационного приемника, ситуация может показаться не вполне очевидной, а потому ее лучше проиллюстрировать. Подобные графики весьма характерны для бюджетных приемников ГНСС. Эти устройства имеют, как правило, скромные вычислительные возможности, поэтому они отдают географические координаты в интегрированную систему в "сыром" виде, не внося в них каких-либо коррекций. Коррекции же необходимы, так как по своей природе ГНСС не может работать без погрешностей - слишком уж много не управляемых потребителем навигационной информации факторов, влияющих на точность: изменяющееся влияние атмосферы на прохождение сигнала, прием не прямого, а отраженного от наземных объектов сигнала, отклонение орбит спутников от расчетных, ошибки часов приемника и др. Программное обеспечение, которое их не учитывает, для каждого отсчета получает ошибку в определении координат до 50 метров.

Так, например, за время погрузки/разгрузки автомобиля с подобным приемником машина может за 20–30 минут "уехать" на 5–10 км со средней скоростью 10–15 км/час, что, разумеется, недопустимо при решении задач транспортного мониторинга. Для КАМАЗа десяток таких остановок за восемь рабочих часов - это полторы тысячи "бензиновых" рублей, улетевших в никуда. Как образно заметил один из коллег: "Мне не до шуток, когда заказчик видит на экране, что за время разгрузки здание его склада на карте покрывается равномерной паутинкой траекторий неподвижного автомобиля".

Наиболее универсальным решением проблемы было бы использование дифференциальных поправок с помощью вспомогательной наземной системы позиционирования. Однако в нашей стране реальные результаты в этой области есть пока только у "Навгеокома" и только по центральным регионам и югу. Для оставшихся 80% территории приходится использовать суррогатные методы. Для мониторинга транспорта, скажем, мы разработали следующую схему.

Раз погрешности предоставления географических координат с использованием ГНСС наиболее заметны в момент покоя автомобиля, нужно лишь научиться отличать остановившийся автомобиль от движущегося. Если судить по картинке, то скорость, которая вычисляется как частное от расстояния между соседними отсчетами и временем дискретизации, у нас всегда не нулевая. Это свидетельствует о том, что автомобиль движется всегда, пусть и медленно. Однако скорость кроме значения обладает еще и направлением, что позволяет создать индикатор покоя для приемника ГНСС. Если объект и впрямь движется, то направление изменяется монотонно, скорость изменения направления мала. Если объект неподвижен, то направление скорости, по данным приемника, изменяется хаотически и на большие величины. Конечно, мы сможем определить время остановки с точностью не выше пяти тактов квантования (возможно, трех), но это все равно гораздо лучше, чем просто не обращать внимания на движение неподвижного приемника.