Система GPS навигации

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ  ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский  университет)

Филиал «ВОСХОД»

 

 

Кафедра  ИТИиУ                                                         

                                                                                          «Утверждаю»             

Преподаватель ________ Жуматаева К.Е.

«____»  ____________2013 г.

                                                                                           

 

 

 

 

ДОКЛАД

 

на тему: Система GPS навигации

по дисциплине: Системы реального времени

 

 

 

                                                                 Выполнила 

Ст. гр. ДА5-45

_________ Середа Е.С.

                                                            «___» __________2013 г.

 

 

 

 

Байконур 2013 г.

Введение

 

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

GPS-навигаторы — это  сложные устройства, которые включают  в себя целый ряд функций,  таких как определение местоположения, поиск этой точки на карте,  определение наиболее удобно  маршрута и информацию о том,  что может быть важным во  время путешествия 

 

 

1 История создания 

 

1959. Военно-морские силы разработали первую реальную спутниковую навигационную систему, получившую название TRANSIT. Система была предназначена для обнаружения подводных лодок. Сначала она состояла из шести спутников, со временем их число выросло до десяти. Подводным лодкам часто приходилось часами ждать, пока сигнал со спутника будет получен, но сама модель подготовила почву для реальной GPS-системы с постоянной передачей сигналов со спутников в космосе. 

1963. Авиакосмическая корпорация завершила исследование для военного сектора, в котором предлагалась модель системы на базе космических спутников, непрерывно посылающих сигналы на приемники, расположенные на поверхности Земли. Система могла определять местоположение транспортных средств, движущихся по поверхности Земли или по воздуху. В исследовании впервые был представлен концепт GPS, который мы знаем и сегодня: приемники в автомобилях получали набор точных координат, измеряя время передачи сигналов со спутников. 

1974. Военные после 11 лет разработок GPS-системы запустили первый спутник из предполагаемой группы, состоящей из 24 спутников. Система получила название NAVSTAR. 

1978-1985. Военные запустили в космос еще 11 тестовых спутников для испытаний системы NAVSTAR, которая впоследствии стала называться просто «Система GPS». На спутниках находились атомные часы, предназначенные для более точного расчета времени передачи сигнала. Некоторые из этих спутников (с 1980 года) были оснащены датчиками для определения запуска или детонации ядерных устройств. 

1983. Вскоре после того как Советский Союз сбил борт 007 Корейских авиалиний, влетевший в воздушное пространство СССР над Камчатским полуостровом, президент США Рональд Рейган предложил использовать GPS-систему на всех коммерческих авиарейсах для обеспечения воздушной безопасности и надежной навигации.

1985. Правительство США заключает контракты с частными компаниями для разработки «воздушных, корабельных и портативных GPS-приемников». 

1989. После нескольких лет испытаний ВВС США, наконец, запускают в космос первый полностью задействованный GPS-спутник. Сначала ВВС США планировали запустить спутник с помощью космического шаттла, но после катастрофы Челленджера в 1986 году изменили свои планы и использовали вместо него ракету Delta II. 

1989. Корпорация Magellan утверждает, что стала первой, поставившей на рынок США портативное навигационное устройство – Magellan NAV 1000. 

1990. Опасаясь того, что военный противник может использовать систему GPS в своих целях, Министерство обороны США принимает решение намеренно понизить точность системы. 

1994. Федеральное авиационное агентство США и Билл Клинтон рассказали мировой авиационной индустрии о том, что в обозримом будущем использование GPS-системы останется бесплатным. 

1995. Представлена первая модификация GPS-системы, после того как в космос был запущен последний из 27 полностью задействованных GPS-спутников. Три спутника из этого числа использовались в качестве замены для 24 оставшихся в случае поломки. Спутники огибали планету дважды в день. Они располагались таким образом, что в любое время суток можно было видеть как минимум четыре спутника из любой точки Земли. 

1998. Вице-президент США Эл Гор представил план, согласно которому GPS-спутники должны были передавать два дополнительных сигнала для использования в гражданском секторе, по большей части для авиационной безопасности. Конгресс США одобрил план, получивший название GPS III, в 2000 году. 

1999. Производитель мобильных телефонов Benefon выпустил первый коммерческий GPS-телефон под названием Benefon Esc! GSM-телефон продавался, в основном, в Европе, но вслед за ним начали появляться и другие мобильные телефоны, оснащенные GPS-приемниками. 

2000. Министерство обороны завершило намеренное ухудшение GPS, которое было внедрено перед началом войны в Персидском заливе. Система GPS стала в десять раз точнее, и все сферы, начиная от рыболовства и заканчивая лесничеством, начали ее использовать. 

2001.После того как технология GPS стала дешевле, частные компании начали создавать персональные GPS-продукты, такие как автомобильные навигаторы от TomTom и Garmin. 

2004. По заявлениям компании Qualcomm, ей удалось разработать и протестировать  так называемую технологию “Assisted GPS”, которая позволяла телефонам использовать сигналы сотовых сетей в комбинации с GPS-сигналами для определения местоположения пользователя с точностью до нескольких сантиметров. 

2005. Первый GPS-спутник нового поколения, получивший название Block II, был запущен с мыса Канаверал. Новый вид сигналов, передаваемых спутником, получил второй, выделенный гражданский канал. 

2009. Управление государственной ответственности США выпустило отчет, в котором говорилось о том, что обновление системы GPS стоимостью $5,8 млрд. столкнулось со столькими техническими проблемами и перерасходом средств, что некоторые спутники могли выйти из строя уже в 2010 году. 

2010-2011. ВВС США запустили два новых GPS-спутника в 2010 и 2011 годах, которые должны были обеспечивать работоспособность системы до запуска спутников нового поколения в 2014 году. Новые спутники Block III обеспечат дополнительный гражданский GPS-сигнал и улучшат производительность всех существующих GPS-сервисов. 

2012. В настоящее время ВВС США обслуживают группу, состоящую из 31 GPS-спутника, а также три спутника, выведенных из эксплуатации, которые в случае необходимости могут быть перезапущены. Обслуживание производится с целью обеспечения доступности, по меньшей мере, 24 GPS-спутников в течение 95% времени. 4 октября ВВС США запустят в космос GPS-спутник IIF-3. 

 

 

2 Виды навигаторов

 

Портативные (носимые) GPS навигаторы ( oregon, etrex, vista, gpsmap 60csx и др.) – это группа товаров, которая представляет собой навигационные системы, заключенные в корпус небольшого размера и обладающие автономным питанием. Мировым лидером по производству такого типа навигационных систем является компания Garmin. Кроме маленьких размеров портативные навигаторы Garmin обладают также повышенной прочностью и влагостойкостью, а некоторые и плавучестью. Благодаря аккумуляторным батареям, которые устанавливаются на такие устройства, портативные навигаторы могут работать длительное время вдали от источника питания. Большинство навигаторов, кроме простейших, допускают использование подробных карт различных регионов, в том числе и топографических. В нашем магазине можно приобрести портативные навигаторы GPS по самым доступным ценам.

Кроме собственно навигационной  функции портативные GPS-навигаторы могут быть снабжены цветными векторными или 3D-картами, функцией запоминания  маршрута, определения частоты пульса, подсчета количества кругов. Также для спортсменов выпускаются GPS-навигаторы, предоставляющие возможность соревноваться с виртуальным «соперником».

Получившие в настоящее  время наибольшее распространение  среди GPS навигаторов автомобильные навигаторы обычно полностью удовлетворяют требованиям владельца автомобиля, они эргономичны и соответствуют условиям безопасного вождения. Главной их отличительной чертой является наличие встроенной подробной (вплоть до корпусов домов) электронной дорожной карты и программного обеспечения, осуществляющего автоматическую маршрутизацию до заданного объекта или группы объектов. На сегодняшний день карты дорог охватывают всю Россию, правда, с различной степенью детализации.

Могут быть установлены также  карты Европы и Америки. Работа над  картами ведется непрерывно, степень  их актуальности очень высокая.

Среди огромного ассортимента автомобильных навигаторов следует  выделить продукцию компаний Garmin, TomTom и Shturmann.

Компания Garmin работает на рынке производства интеллектуальных систем с 1989 года. С самого начала своей работы компания взяла курс на производство качественных GPS навигаторов. Изначально компания работала только на рынке США, где и находится ее главный офис, но вскоре продукция фирмы получила огромное распространение в Европе. Компания производит GPS навигаторы очень высокого качества. Кроме того, в компании работает группа программистов, которая адаптирует программное обеспечение навигаторов под региональные стандарты и язык каждой страны. Таким образом, вы не будете получать указания с устройства на непонятном вам языке.

Большой популярностью также  пользуются GPS навигаторы от компаний TomTom и Shturmann. В нашем магазине имеются самые популярные модели продукции этих фирм-производителей, так как эти автомобильные навигаторы являются показателем качества и надежности.

 

 

3 Устройство GPS – навигатора

 

Аппаратная часть в GPS-навигаторе присутствуют несколько важных компонентов, от которых во многом зависит точность и качество работы прибора:

• GPS-чипсет — набор микросхем, в котором процессор — самая важная часть. Процессор обеспечивает работу всего устройства, а также обрабатывает спутниковый сигнал, поступающий от GPS-модуля, вычисляя координаты.
• GPS-антенна настроена на частоты, на которых передаются данные навигационных спутников.
• Дисплей для отображения информации.
• Оперативная память обеспечивает быстродействие навигатора.
• Память BIOS обеспечивает связь аппаратной и программной части.
• Встроенная Flash-память используется для хранения операционной системы, ПО и пользовательских данных.
• Другие элементы платы — GPRS-модуль, Bluetooth модуль, радиоприемник и т.д. Наличие этих элементов зависит от архитектуры конкретной модели навигатора.
• Разъемы (внешние интерфейсы) — разъем внешнего питания, гнездо для подключения наушников, слоты для карт памяти и SIM-карт. Набор разъемов зависит от особенностей конкретной модели навигатора.

Программная часть

В общем случае программная  часть состоит из BIOS, операционной системы, программной оболочки, навигационных  программ и дополнительных приложений.

• BIOS — микропрограмма, обеспечивающая операционной системе API доступа к аппаратуре навигатора.
• Операционная система — собственная ОС (как правило, на базе существующих) или ОС стороннего производителя. Наиболее популярная ОС стороннего производителя — Windows CE
• Программная оболочка, обеспечивающая удобную работу с программным обеспечением навигатора и содержащая необходимые библиотеки для корректной работы программ.
• Навигационная программа — собственная разработка или ПО стороннего производителя. Наиболее популярные навигационные программы сторонних производителей — CityGuide, Навител Навигатор, Автоспутник,ПроГород и другие.
• Дополнительные приложения — мультимедийные приложения, игры и другие программы, как правило, предустановленные производителем.

В навигаторах некоторых  производителей отдельные элементы программной части могут быть объединены. Например, функции программной  оболочки может выполнять операционная система, а дополнительные приложения входить состав навигационной системы.

 

 

4  Принцип действия 

 

Определение местоположения GPS-навигатора базируется на измерении  задержки прохождения радиосигнала от нескольких спутников и определении  на основе этих измерений географических координат и высоты над уровнем  моря. Сигнал каждого спутника содержит псевдослучайный код (PRN - PseudoRandom Number code).

Так как GPS-система контролируется Департаментом обороны США, РRN-код, декодируется только военными GPS-приемниками, а в сигналы атомных часов специально добавляется случайная ошибка, искажающая значения координат. Таким образом, точность гражданских GPS-навигаторов искусственно ухудшена в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50 - 150 м.

Каждый спутник в постоянном режиме излучает радиосигнал, содержащий данные о его орбите, состоянии  бортового оборудования и о точном времени. Среди этих сигналов данные о точном бортовом времени являются самыми важными. GPS-навигатор при  помощи встроенного процессора определяет промежуток времени между отсылкой и получением сигнала, умножает его  на скорость распространения радиоволн  и, в итоге, устанавливает расстояние между спутником и приемником. Результат - координаты вашего местоположения.