Глобальная спутниковая навигация

Глобальная спутниковая навигация

Угапьева С.В. МКУ СОШ №2 г Нижнеудинс

Технология глобальной спутниковой навигации

Мировые навигационные системы

Китайская и американская системы

Российская система

Существует множество задач, решение которых человечество ищет с незапамятных времен, одна из них - определение географического местоположения. За прошедшие столетия люди нашли немало способов ориентирования на местности (например, по солнцу или по звездам), изобрели ряд специальных приборов (компас, секстант), составили самые подробные карты. И тем не менее до недавнего времени не существовало средства вычисления координат, доступного в любой точке планеты при любых погодных условиях. Сегодня на роль такого универсального инструмента претендует так называемая система глобального позиционирования -GPS (Global Positioning System).

GPS состоит из трех основных сегментов - космического, пользовательского и сегмента управления.

Космический включает в себя 24 спутника, распределенных по шести орбитам радиусом около 20000 км. Период обращения каждого спутника составляет 12 часов. Спутники расположены таким образом, что одновременно в любой точке земного шара можно принимать сигналы с шести из них. Каждый спутник снабжен атомными часами, погрешность которых равна 1 секунде в 70000 тысяч лет; эти часы используются для синхронизации передачи.

• Сегмент управления состоит из пяти мониторинговых станций, через которые осуществляется управление спутниками. В частности, с помощью таких станций производится отслеживание точных координат спутников, передача на них временных и пространственных поправок, данных о состоянии атмосферы (которое влияет на скорость распространения радиосигнала, а следовательно, на точность вычисления координат) и т. д. Мониторинговые станции расположены на базе ВВС США Schriever (бывшая Falcon) в Колорадо-Спрингс (главная станция управления системой GPS), на Гавайях и островах Куайалейн в Тихом океане, Диего-Гарсия в Индийском и на острове Восхождения в Атлантическом океане.

Передача сигналов точного времени осуществлялась различными способами. В начале ХХ века их стали пересылать по радио, позже подключилось телевидение (в отличие от мифического «25-го кадра», эталонные сигналы передаются в шестой строке каждого нечетного поля телевизионного сигнала передатчика ОРТ). Была создана шкала координированного времени UTC (Universal Time Coordination) – ныне существующая «наследница» среднего времени по Гринвичу (Greenwich Mean Time, GMT)

Появление точных и надежных часов, одновременно обладающих приемлемой компактностью и массой, легло в основу создания существующих ныне и разрабатываемых систем глобальной навигации. На данный момент полностью функционирующей системой спутниковой навигации является NAVSTAR (GPS), разработанная, реализованная и полностью эксплуатирующаяся Министерством обороны США. Первоначально проект NAVSTAR предназначался исключительно для военного применения. Однако после печального инцидента в 1983 году, когда лайнер Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту (по официальной версии, его пилоты следовали ошибочным курсом), был сбит над территорией Советского Союза, президентом США Р. Рейганом было разрешено использование NAVSTAR в гражданских целях.

Задача служб точного времени состоит в определении, хранение и распространении точного времени. Вторая и третья задачи решаются научно-техническими средствами по созданию точных часов и соответствующих им по точности средств связи, без которых не может функционировать, например, астрономические радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ). В точном времени нуждаются государственные оборонные структуры, научно-исследовательские учреждения, экономика, транспорт, а также миллионы пользователей персональных компьютеров.

Распространение точного времени ранее осуществлялось либо перевозкой эталонных часов, либо передачей специальных радиосигналов. Эти методы применяются и в настоящее время. Информация о точном времени с 70-х годов прошлого века передавалась через систему телевизионного вещания, обеспечивающую совместную передачу эталонных сигналов частоты и времени (ЭСЧВ), меток шкалы и информации о текущих значениях времени (ТЗВ). Передаваемые по наземным и спутниковым каналам телевидения, содержат эталонные сигналы частоты (ЭСЧ), эталонные сигналы времени (ЭСВ) и кодовые сигналы ТЗВ. Эти сигналы располагались в шестой строке каждого нечетного поля, их погрешность составляла не более одной микросекунды. В настоящее время этот код из шестой строки первого канала убран в связи с тем, что он искажал изображение.

Вместе с тем в жизнь практически каждого человека вошел персональный компьютер и глобальная сеть передачи данных Internet, которая также может служить средой распространении информации о точном времени. Для передачи по таким сетям существуют особые серверы времени – NTP-серверы (Network Protocol Time – NTPю Основной задачей NTP-сервера является предоставление информации о шкале точного времени через Internet.

Характеристика различных способов передачи времени по точности представлена в таблице

Радиосигналы (ДВ и СВ)

Телевидение

1920 гг. – настоящее время

~1 мс

1970 – 2005 гг.

GPS/ГЛОНАСС

~10 мкс

Internet (NTP/SNTP)

1990 гг. – настоящее время

~10 нс

1988 г. – настоящее время

Аналогичная отечественная система – ГЛОНАСС принадлежит Министерству обороны РФ. Разработка ее была начата еще в СССР, а первый спутник ГЛОНАСС был запущен в октябре 1982 года. Для того, чтобы сигналы систем спутниковой навигации можно было принимать в любое время в любой точке планеты, численность орбитальной группировки должна насчитывать не менее 24 аппаратов. В составе ГЛОНАСС 24 спутника функционировало лишь в 1995 году. На данный момент орбитальная группировка насчитывает 16 космических аппаратов, и по заявлениям руководства России, ведется интенсивная работа для обеспечения ее полноценного функционирования.

Служба точного времени — организация, хранящая и предоставляющая информацию об измеренном текущем времени с высокой точностью. Телефонные службы точного времени предоставляют информацию в голосовом режиме, называя текущее время в момент обращения. В радиосвязи службы точного времени передают информацию в виде периодических сигналов точного времени, обычно — ежечасных. Интернет-сервисы точного времени работают путём периодической синхронизации системного времени клиента с сервером точного времени с использованием протокола NTP. Одним из важных условий объединения компьютеров в вычислительные сети является синхронизация их системных часов.. Для синхронизации часов компьютеров обычно используется специально разработанный протокол NTP (Network Time Protocol) Модель NTP иерархична. Ступени иерархии называются стратумами (stratum). . Серверы, находящиеся на вершине иерархии (First stratum, Stratum1), непосредственно подключены к источнику точного времени (таким, как атомные часы, или GPS-часы) и используют наиболее точное время

Служба точного времени в сети Интернет

Источником точного времени UTC (Universal Time Corrected – универсальное мировое время по Гринвичу) – являются приемники систем GPS или GPS/ГЛОНАСС , совмещенные с активной антенной.

Принцип работы

Сигналы точного времени передаются либо от Глобальной Системы Позиционирования GPS либо (ГЛОНАСС).

Передача пакетов точного времени к абонентам осуществляется по сетевому протоколу времени NTP . Для взаимодействия абонентов устанавливаются и настраиваются службы точного времени. Поддерживаемые операционные системы: Windows 2000/XP/Vista/7, Linux, QNX и ряд других.

Служба точного времени кроме коррекций времени осуществляет подстройку хода системных часов компьютера, что позволяет сохранить точное время в течение продолжительного периода в случае сбоя работы сети.

Для повышения надежности и отказоустойчивости можно использовать дополнительный (резервный) сервер времени. Резервирование настраивается при конфигурировании служб точного времени на абонентах.

Что такое часы для хранения точного времени?

На обсерваториях существуют специальные инструменты, с помощью которых определяется точное время, по которому проверяют часы. Время устанавливают по положению, занимаемому светилами над горизонтом. Специально для того, чтобы часы обсерватории шли как можно точнее и равномернее в промежутке между вечерами, когда их проверяют по положению звезд, часы помещаются в глубокие подвалы. В подобных подвалах во время всего года сохраняется одна и та же температура. Сохранение и поддержание одной и той же температуры очень важный фактор, так как изменения в температуре способны повлиять на ход часов.

Для передачи сигналов точного времени по радио на обсерватории имеется специальная сложная часовая, электрическая и радиоаппаратура. Передаваемые из Москвы сигналы точного времени – самые точные в мире. Определение точного времени по звездам, хранение времени при помощи точных часов и передача его по радио - все это составляет Службу времени.

Антенны Иркутской службы точного времени ВСНИИФТРИ, частота 50 кГц, Мощность передатчиков 50кВт. (г.Ангарск)

ВНИИФТРИ обеспечивает сигналами точного времени и эталонными частотами потребителей во всех жизненно важных сферах экономики страны, включая оборону.

СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ГНОМОНОМ

• Одним из самых простых способов определения истинного времени является измерение своей собственной тени. Этот метод широко использовался во времена средневековья. Например, Чосер в "Кентеберийских историях" (около 1390) писал: "Должно быть около четырех часов, поскольку тень моя легла длиной в 11 футов, а сам я ростом в шесть".

Горизонтальные солнечные часы. Углы, соответствующие каждому часу, имеют различную величину и рассчитываются по формуле:, где a - угол между полуденной линией (проекцией небесного меридиана на горизонтальную поверхность) и направлением на числа 6, 8, 10..., указывающих часы; j - широта места; h - часовой угол Солнца (15њ , 30њ , 45њ )

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы . Солнечные часы не требуют завода, не останавливаются и всегда идут правильно. наклонив площадку так, чтобы шест от гномона был нацелен на полюс мира, мы получим экваториальные солнечные часы, в которых скорость движения тени равномерна Экваториальные солнечные часы. Каждому часу на циферблате соответствует угол в 15њ..

Для измерения времени в ночное время и в ненастье изобретены песочные, огненные и водяные часы .

• Песочные часы отличаются простотой конструкции и точностью, но громоздки и "заводятся" лишь на короткое время.

Огненные часы - будильник

• Огненные часы представляют собой спираль или палочку из горючего вещества с нанесенными делениями. В Древнем Китае создавались смеси, горящие месяцами без постоянного присмотра. Недостатки этих часов: низкая точность хода (зависимость скорости горения от состава вещества и погоды) и сложность изготовления
• Водяные часы (клепсидры) применялись во всех странах Древнего мира .

Водяные часы-клепсидры:

а) с неравномерной шкалой;

б) с равномерной шкалой измерения времени

• Механические часы с гирями и колесами были изобретены в Х-XI веках. В России первые башенные механические часы были установлены в московском Кремле в 1404 году монахом Лазарем Сорбиным. Маятниковые часы изобрел в 1657 году голландский физик и астроном Х. Гюйгенс. Механические часы с пружиной изобрели в XVIII веке. В 30-е годы нашего века изобрели кварцевые часы. В 1954 году в СССР возникла идея создания атомных часов - "Государственного первичного эталона времени и частоты". В СССР свои идеи по созданию атомных часов выдвигал академик Николай Геннадьевич Басов. Они были установлены в научно-исследовательском институте под Москвой и давали случайную ошибку в 1 секунду раз в 500000 лет. Первым создателем кварцевых и атомных часов был английский физик-экспериментатор Эссен Льюис (1908-1997). В 1955 г. он создал первый атомный стандарт частоты (времени) на пучке атомов цезия. Как результат этой работы через 3 года (1958) возникла служба времени, основанная на атомном стандарте частоты.

• Еще более точный атомный (оптический) стандарт времени был создан в СССР 1978 году. Ошибка в 1 секунду происходит раз в 10000000 лет!

Самые крупные маятниковые часы в мире. Их высота составляет 12 метров.

Мюнхен, Германия

«Оберег от опозданий.» г.Красноярск

• АТОМНЫЕ ЧАСЫ — наиболее точный тип ЧАСОВ. Устройство представляет собою электронные часы, ход которых регулируется естественным процессом излучения или атомных колебаний. Чаще всего для этого используют атомы металла цезия. квантовые часы, - устройство для измерений времени, содержащее кварцевый генератор, управляемый квантовым стандартом частоты. Роль маятника играют атомы. Ход А. ч. регулируется частотой излучения атомов при переходе их с одного энергетич. уровня на др. Эта частота настолько стабильна (погрешность 10-11 - 10 -13), что А. ч. позволяют измерять время точнее, чем с использованием астрономич. методов (допускают ошибку не более чем 1 с за 100 лет). Применяются в радионавигации для измерений расстояний от летат. аппарата до наземной станции сравнением фазы сигнала, принятого с Земли, с фазой опорного сигнала бортового оборудования, вастроном и ческой службе времени для получения точного времени, необходимого при работах в области геологии, геофизики и т. д., а также в качестве эталона частоты при физ. исследованиях.

Спасибо за внимание!