Введення в основи системи GPS презентация

Введення в основи системи GPS
2. Система управління рухом автомобільного
транспорту з використанням системи GPS

Мета лекції: Розглянути основні поняття системи GPS, її функціонування і можливі способи використання .

Автоматизоване

Автоматичне

До останнього часу в різних СУ автомобільним рухом використовувалося, як правило, неавтоматизоване управління.

Основні функції управління рухом, режимами роботи двигуна, перевірка цілісності вантажу і інші здійснювалися водієм. Диспетчер тримав зв'язок з водієм по телефону (рис.8.1).

На сьогоднішній день широке використовування знаходять АСУ рухом транспорту, які вирішують 2-і основні задачі:
задача попередження наїзду на перешкоди і забезпечення безпеки руху;
задача забезпечення проїзду автомобільного транспорту з однієї точки в іншу (задача навігації).

Супутникова навігація все частіше входить в АСУ АТ і є її фундаментальною частиною, оскільки забезпечує безперервність, надійність зв'язку і контролю в будь-якій точці земної кулі.

Що ж собою представляє супутникова навігація і як вона працює ?

Рис.8.1. Неавтоматизоване управління рухом

или Global Positioning System) є супутниковою і працює під управлінням Міністерства Оборони США. Система є глобальною, всепогодною і забезпечує можливість отримання точних координат і часу 24 години на добу.

Як працює GPS ?
Функціонування системи GPS можна розбити на п'ять основних підпунктів:
1. Супутникова трилатерація - основа системи (один із підходів до визначення координат на місцевості);
2. Супутникова дальнометрія – вимірювання відстаней до супутників ;
3. Точна часова прив’язка – навіщо потрібно погоджувати годинник в приймачі і на супутнику і для чого потрібен 4-й космічний апарат;
4. Розташування супутників – визначення точного становища супутників в космосі ;
5. Корекція помилок – урахування помилок вносяться затримками в тропосфері і іоносфері .

Точні координати точки на поверхні Землі можуть бути обчислені за вимірами відстаней від групи супутників (якщо їх місцезнаходження в космосі відоме). У цьому випадку супутники є пунктами з відомими координатами .

і можна описати сферу заданого радіусу довкола нього (рис.8.2)
Одне вимірювання указує про наявність об’єкту на поверхні сфери.

Визначення місцезнаходження одним супутником.

Якщо відома також відстань і до другого супутника, то другий вимір вказує на місцезнаходження об’єкту десь в колі, що задається перетином двох сфер (r та R) (рис.8.3).

Третій вимір указує про місцезнаходження об’єкту на перетині трьох сфер (дві точки ) (рис.8.4).
Така система дозволяє тільки вибрати правильну точку. Однак одна з точок завжди може бути відкинута, тому що вона має високу швидкість переміщення.

Рис.8.2. Визначення місцезнаходження 1 супутником

Визначення місцезнаходження двома супутниками.

Рис.8.3. Визначення місцезнаходження 2 супутниками

При перетині двох сфер утворюється коло

Визначення місцезнаходження трьома супутниками.

Рис.8.4. Визначення місцезнаходження 3 супутниками

При перетині трьох сфер утворюється дві точки

Таким чином, знаючи відстань до трьох супутників, можна обчислити координати заданої точки.

радіосигналу від космічного апарату до приймача (t=tc-tп) помноженому на швидкість світла (Vc=300000 км/с) R = Vc * t.
Для того, щоб визначити час розповсюдження сигналу нам необхідно знати коли він покинув супутник.

Визначення відстані до супутників

Кожний супутник GPS передає два радіосигнали: на частоті L1=1575.42 Мгц та L2=1227.60 Мгц. Сигнал L1 має два кода: «точний» P-код і «грубий» C/A код.

Використовування коду дозволяє приймачу визначити часову затримку у будь-який час.

Як дізнатися коли сигнал покинув супутник ? (рис.8.5):

- приймач і супутник використовують один код;
- приймач і супутник синхронізуються так, щоб вони генерували однаковий код одночасно;

Рис.8.5. Визначення часу покидання сигналу

- приймачем приймається сигнал коду із супутника і визначається, коли такий же сигнал покинув приймач;
- вимірюється часова затримка між однаковими ділянками коду (t);
- отримана різниця, помножена на швидкість світла і дає шукане значення.

від точності ходу годинника. Код повинен генеруватися на супутнику і приймачі в один і той же час. На супутниках встановлений атомний годинник точність ходу якого близько однієї наносекунди. Однак це дуже дорого, щоб встановлювати такий годинник в кожний GPS приймач, тому вимірювання від четвертого супутника використовуються для усунення помилок ходу годинника приймача. Ці вимірювання можна використовувати для усунення помилок, які виникають, якщо годинник на супутнику і в приймачі не синхронізований.

Точна часова прив'язка.

Коли GPS приймач одержує серію вимірювань, які не перетинаються в одній точці, то комп'ютер в приймачі починає віднімати (або додавати) час методом послідовних ітерацій до тих пір, поки не зведе всі вимірювання до однієї точки. Після цього обчислюється поправка і робиться відповідне порівняння.

Таким чином, четвертий вимір точно визначає місцезнаходження об'єкту на земній кулі (рис.8.6)

Рис.8.6. Визначення часу покидання сигналу

При перетині чотирьох сфер одержуємо точку

кожна (рис.8.7): сегмент управління і контролю; космічний сегмент або сузір'я супутників; сегмент користувача, що включає приймачі різних типів (фазові, лінійні).

Склад систем NAVSTAR і ГЛОНАСС.

Рис.8.7. Структура системи GPS

Основними задачами цього сегменту є: визначення ефемерид супутників і поправок їх годинника, прогноз орбіт супутників, завантаження навігаційного повідомлення в пам'ять бортових комп'ютерів супутників та інші, наприклад, нагляд за підготовкою супутників до запуску, забезпечення запуску тощо.

Сегмент управління і контролю включає:

головну станцію управління і контролю (в ГЛОНАСС- Центр управління системою);

станції стеження, розподілені по всій поверхні Землі;

наземні контрольні станції .

Сегмент користувача призначений для визначення координат і складових вектора швидкості споживача з використанням навігаційного поля систем. Апаратура військових і прирівняних до них користувачів дозволяє повністю реалізувати функціональні можливості систем і одержати максимальну точність. Цивільне устаткування має деякі обмеження і дещо “ урізані ” можливості.

супутника (рис.8.8) з орбітальним періодом в 12 годин на висоті приблизно 20200 км від поверхні Землі (ГЛОНАСС період 11 годин 15 хвилин, висота 19100 км.).
В шести різних площинах (ГЛОНАСС- 3 ), що мають нахил до екватора в 55° (ГЛОНАСС- 64,8 °), розташовано по 4 супутники (ГЛОНАСС- 8 ).

Рис.8.8. Космічний сегмент системи GPS

Вказана висота необхідна для забезпечення стабільності орбітального руху супутників і зменшення фактора впливу опору атмосфери.

Порівняльна характеристика космічних сегментів

транспорту допускають широке використовування сучасних методів геодезичних вимірювань, в першу чергу GPS - технологій.

Система управління рухом автомобільного транспорту (СУРАТ) повинна вирішувати наступні задачі:

Супутникова радіонавігаційна система або, як вона ще називається, глобальна система визначення місцезнаходження об'єкту GPS (Global Position System) забезпечує високоточне визначення координат і швидкості об'єктів в будь-якій точці земної поверхні, у будь-який час доби, в будь-яку погоду, а також точне визначення часу.

8.2. СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ РУХОМ АВТОМОБІЛЬНОГО ТРАНСПОРТУ З ВИКОРИСТАННЯМ СИСТЕМИ GPS

варіантом.

Основною функцією СУРАТ є визначення місцезнаходження автомобільного транспорту. Для цього використовуються супутникова система NAVSTAR GPS (США), яка дозволяє в будь-якому місці земної кулі і у будь-який момент часу визначати точні координати, напрям руху і швидкість транспортних засобів. СУРАТ забезпечує відображення місцезнаходження транспортних засобів на екрані комп'ютера диспетчерського центру (користувача) на електронній карті місцевості в реальному масштабі часу.

Рис.8.9. Одна із схем управління АТ

На карті місцевості показується, де перебуває об'єкт, за запитом приводиться вся інформація про нього, включаючи дані із GPS-приймачів, встановлених на транспортному засобі. Окрім координатної інформації по радіозв'язній лінії можуть передаватися сигнали різних датчиків, встановлених на автомобілі і інша інформація.

доставки вантажів з урахуванням різних факторів.

Можливості системи:

У кабіні автомобіля може бути встановлений спеціальний бортовий комп'ютер, що працює в режимі терміналу. Окрім текстових повідомлень між водієм і диспетчером передаються спеціальні форми (накладні, маршрутні листи тощо).

на електронній карті виділяються зони, при попаданні автомобілів в які подається сигнал диспетчеру;

диспетчер відстежує в реальному часі переміщення всіх автомобілів;

при відхиленнях автомобілів від заданого маршруту у диспетчера спрацьовує сигналізація;

з диспетчерського пульта контролюється показник датчиків, встановлених на кожній рухомій одиниці: паливних, температурних, несанкціонованого розкриття контейнерів, перевертання автомобіля, включення “ мигалки ” і тому подібне;

стандартні повідомлення водія можуть бути запрограмовані так, що при натисненні відповідної кнопки в автомобілі до диспетчера поступає інформація типу: “пробка на дорозі”, “потрапив в аварію”, “затриманий міліцією”, “напад”, “захоплення”. Ці повідомлення при необхідності легко кодуються і можуть використовуватися у випадках, коли потрібно дотримувати режим радіомовчання.

По команді з диспетчерського пункту блокується система запалення, двері салону автомобіля і контейнера.