Навигация без спутников: ГЛОНАСС. Навигация без спутников

МИР ГЛОНАСС » Навигация без спутников

Нынешние навигационные системы достаточно хороши, но все еще не идеальны. Мы расскажем о технологиях, которые позволят компенсировать недостатки спутникового геопозиционирования.

 

К спутниковой навигации все мы давно привыкли. Она уже прочно вошла в нашу жизнь и используется повсеместно — начиная с автомобильных навигационных устройств и заканчивая смартфонами. Определив ваше положение, система подскажет маршрут, а на карте будет видна вся окружающая инфраструктура. Казалось бы, будущее наступило. Ведь еще пару десятков лет назад такое и вообразить было сложно. Но нет: текущее развитие технологий — это лишь первый шаг но сравнению с новыми горизонтами, которые открываются за пределами завтрашнего дня.

 Перспективные разработки не отменяют спутниковую навигацию как таковую, но значительно улучшают ее. Например, в современных смартфонах уже используется дополнительная функция позиционирования по вышкам сотовой связи. Однако спутниковый сигнал может полностью теряться в глухом лесу или внутри зданий. Новые разработки из нашего обзора позволяют навигационным приборам «ориентироваться» на местности, даже когда спутники не видны, и к тому же способны осуществлять позиционирование значительно точнее — вплоть до 2 см.
Впрочем, спутниковые системы пока все-таки необходимы — неслучайно крупнейшие страны разворачивают собственные аналоги GPS и ГЛОНАСС.

 

ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПО БАЗОВЫМ СТАНЦИЯМ

 

Определить местоположение сотового телефона можно и без спутников—по сигналам от вышек сотовой связи оператора. Правда, точность при этом значительно ниже — от десятков метров до нескольких километров в малонаселенных районах, где базовые станции расположены далеко друг от друга.

 

Как же работает эта система? Первый метод позволяет выяснить. какой базовой станцией в данный момент обслуживается мобильный телефон, и очень примерно определяет местоположение абонента. Точность данного способа зависит от количества базовых станций и радиоусловий. Во втором случае измеряется время прохождения сигнала до нескольких базовых станций, но это требует оснащения сети дополнительным и достаточно дорогим оборудованием.

 

Оба метода используются операторами сотовой связи и позволяют «мониторить» местонахождение ребенка или отслеживать передвижения друзей на карте при их согласии.

 

РАДИОПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

 

Спутниковая навигация не отличается высокой точностью, к тому же она может оказаться недоступной. Новые разработки призваны повысить точность позиционирования и умеют определять местоположение даже при отсутствии сигналов от спутника.

 

Loсata: позиционирование с точностью до сантиметра

 
 
Система спутниковой навигации работает по следующему принципу: со спутника передается радиосигнал, в котором сообщаются точное время и текущее местоположение космического аппарата. Данный сигнал поступает на приемник, а тот в свою очередь, зная точное время передачи сигнала и период, за который сигнал достиг приемника, может вычислить расстояние до спутника. Проделав это с сигналами от нескольких спутников, находящихся в разных точках, приемник может довольно точно определить свое местоположение. Этот метод прост и надежен, хотя и не без некоторых оговорок.

 Смысл метода, который предлагают специалисты компании Loсata, приблизительно такой же, только вместо спутников здесь предполагается использование сети радиомаяков. Некая технология, подробностей о которой пока нет, позволяет этим маякам синхронизировать время с точностью до наносекунды и передавать сигнал о своем нахождении. Благодаря этому приемник сможет вычислять свое местоположение еще более точно. Преимущества системы состоят в том, что сигнал наземных маяков достаточно силен для того, чтобы проникать даже сквозь довольно толстые стены зданий, а кроме того, точность определения местоположения даже в закрытом помещении составит всего пару сантиметров.

 

Большинству людей такая точность, скорее всего, не понадобится, однако автомобиль, оборудованный подобной системой, сможет не только определить свое местоположение — также можно будет получить, к примеру, информацию о расстоянии до полосы встречного движения, до ближайших транспортных средств и т. д., благодаря чему движение станет более безопасным.

 

Множество возможностей открывает способность Loсata работать в закрытых помещениях. К примеру, если речь идет о магазине, то смартфон, поддерживающий стандарт Loсata, сможет довести вас не только до самой торговой точки, но и указать в ней конкретное место.

 

NAVSOP: самообучающаяся система навигации

 
Navigation via Signals of Opportunity (NAVSOP), благодаря использованию радиоволн различных диапазонов, сможет функционировать в таких условиях, в которых работа GPS затруднена или вовсе невозможна например, в лесу, внутри зданий и даже под землей. Также данная система способна работать в самых отдатенных точках планеты, например в Антарктике и Арктике, за счет использования радиосигнала спутников, вращающихся на низкой околоземной и геостационарной орбитах.

 

Разработчики NAVSOP считают основным преимуществом своего продукта то, что развертывание системы и ее функционирование не требует создания дополнительной инфраструктуры. ПО, задействованное в NAVSOP, является самообучающимся, благодаря чему новые источники сигналов оперативно добавляются в существующую базу данных. При этом в качестве таких источников могут быть использованы даже сигналы установок для постановки радиопомех либо подавления сигналов GPS.

 

 

Доктор Рэмси Фарагэр — сотрудник комнании-разработчика BAE Systems — поясняет, что для начала работы системы NAVSOP, то есть определения начального местоположения, и ее первоначального обучения сигнал GPS все же требуется, однако обязательным условием это не является. В целом, согласно планам разработчиков, данная система должна использоваться в паре с GPS: технологии станут дополнять друг друга и заменять в том случае, если работа одной из них окажется невозможна.

 Компания BAE Systems ориентирована на оборонные разработки, потому неудивительно, что система NAVSOP создается в первую очередь именно для военного применения. К примеру, она может помочь солдатам, ведущим боевые действия в сложных городских условиях либо в отдаленных районах земного шара, или применяться для обеспечения безопасности беспилотников, поскольку использование NAVSOP позволит аппаратам защититься от воздействия на их навигационные системы.

 

ГИБРИДНЫЕ СИСТЕМЫ

 

Гибридные системы позиционирования способны не только определять местоположение с помощью GPS-спутников, но и ориентироваться на местности по другим радиосигналам, а также посредством гироскопов и акселерометров.

 

TIMU: эффективная навигация без радиосигналов

 
В основном вооруженные силы и транспортные компании применяют для навигации систему GPS. Однако не каждый задумывается о последствиях возможной ситуации, при которой спутники GPS в силу каких-либо причин выйдут из строя или просто перестанут быть доступными. И если для водителя на дороге потеря сигнала вызовет лишь некоторые неудобства, с которыми можно будет справиться, то для военных это будет означать невозможность оперативно ориентироваться на местности, что во многих случаях предопределит поражение.

 

Именно в силу этой причины множество научных организаций сейчас ведут работу над системами навигации, которые смогут работать автономно, без использования каких-либо внешних сигналов. Так, ученые из Мичиганского университета разработали TIMU (временно-инерционную навигационную однокристальную систему), которая умеет определять местоположение в условиях  временного отсутствия доступа к сигналам GPS. Навигатор выполнен в виде чипа, размеры которою меньше монеты, и содержит в себе три акселерометра, три гироскопа и схему сверхточных часов.

 

 Данные, полученные с датчиков системы, позволяют достаточно точно определить положение транспортного средства, которое начало свое движение из точки с известными координатами. Все датчики чипа занимают объем 10 мм3, располагаясь в трехмерном пространстве. Чип состоит из шести слоев, толщина каждого из которых составляет приблизительно 50 микрон (что соответствует толщине человеческого волоса). Каждый из слоев имеет свою функцию, а все функции в комплексе обеспечивают работу системы навигации TIMU. Структура слоев и объединяющая их конструкция изготовлены из чистого кварца. Этот материал обладает отличной прочностью, а также низкими температурными коэффициентами, что делает его идеальной основой дня объединения в единое целое нескольких сложных устройств.

 

Высокоточный чип для смартфонов

 
Современные устройства позиционирования, встраиваемые в планшеты, смартфоны и навигаторы, плохо работают не только внутри зданий, но и просто в условиях плотной застройки или в густом лесу. Ситуация может измениться благодаря выходу навигационного чипа Broadcom ВСМ 4752, который будет доступен уже в ближайшее время. С его помощью высокой точности позиционирования можно будет добиться даже внутри зданий причем не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях. Это позволит узнать, например, на каком этаже вы в данный момент находитесь. Подобных результатов удается достичь за счет совмещения данных, полученных от множества различных датчиков, а также благодаря поддержке большого количества протоколов беспроводной связи.
 
Чип Broadcom ВСМ4752 поддерживает связь одновременно с четырьмя навигационными системами: ГЛОНАСС, GPS, SBAS и QZSS. Это позволяет получать данные с 59 навигационных спутников. В качестве дополнительных навигационных точек используются сигналы вышек сотовой связи. В помещениях чипу помогают ориентироваться сигналы сетей Wi-Fi, Bluetooth, NFC и 4G. Еще большей точности вертикального и горизонтального позиционирования позволяют добиться гироскоп, акселерометр, магнитометр, высотомер и счетчик шагов.

 

Правда, чтобы воспользоваться всеми преимуществами навигации внутри зданий, необходимо еще и соответствующее программное обеспечение, а также карты. Прогресс в этом направлении уже наблюдается: компания Google в рамках принадлежащих ей сервисов Street View и Google Maps сегодня дает возможность посмотреть «внутренности» некоторых зданий. Таким образом, используя устройство, оборудованное чипом Broadcom ВСМ4752 и имеющее возможность работать с Google Maps, можно будет не испытывать проблем с нахождением лифта или кабинета в этих зданиях.

 

КОНКУРЕНТЫ GPS И ГЛОНАСС

 

У спутниковой навигации все-таки есть свои преимущества — например, покрытие даже в труднодоступных и малонаселенных районах. Неслучайно у двух существующих глобальных систем позиционирования, американской GPS и российской ГЛОНАСС, появляются «соперники».

 

Galileo: европейская альтернатива

 
Galileo — это совместная разработка Европейского космического агентства и Евросоюза. Galileo является частью проекта «Трансевропейские сети», направленного на решение навигационных и геодезических задач. Запуск данного проекта запланирован на 2016 год. Именно тогда на орбиту Земли будут выведены все 27 операционных и три резервных спутника. Часть Galileo, находящаяся в космосе, будет обслуживаться при помощи наземной инфраструктуры: трех центров управления и множества передающих и принимающих станций.
 
Современные спутниковые системы не имеют доступа к Galileo. Именно за счет продажи лицензий производителям различных приемников разработчики планируют финансировать проект. Стоит отметить, что Galileo создавалась в мирных целях, но принятая в 2008 году резолюция Евросоюза «Значение космоса для безопасности Европы» допускает использование спутниковых сигналов для некоторых военных операций (которые проводятся в рамках политики обеспечения безопасности в мире).

 

Кроме того, на базе Galileo планируется предоставлять пять различных сервисов с разным уровнем точности:

 

  • ОТКРЫТАЯ ОБЩАЯ СЛУЖБА предназначена для гражданских навигационных устройств. Сообщается, что она будет бесплатной и доступной всем.
  • СЛУЖБА ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ будет использоваться для авиации и судовой навигации.
  • КОММЕРЧЕСКАЯ СЛУЖБА (кодированный сигнал, обеспечивающий повышенную точность определения местонахождения) будет предоставляться на платной основе заинтересованным пользователям.
  • ПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ СЛУЖБА, высокоточная и надежная, будет предоставлена только ограниченному кругу абонентов. Доступ получат береговая охрана, полиция, антикризисные и военные штабы.
  • ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНАЯ СЛУЖБА призвана заменить уже существующую систему КОСПАС, обеспечив более уверенный прием сигнала.

 Beidou: китайский «долгострой»

 
Спутниковая навигационная система Beidou — китайский конкурент GPS и ГЛОНАСС. Ранее эта служба предоставляла услуги навигации, обмена текстовыми сообщениями и службы точного времени исключительно на территории Китая. В 2000 году на орбиту были выведены первые три спутника, обеспечивавшие функционирование системы. А в декабре прошлого года на территории всего Азиатско-Тихоокеанского региона Beidou вступила в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования.

 

Точность определения местонахождения, благодаря выводу дополнительных спутников (теперь их 16), достигла запланированных десяти метров. Согласно же действующему плану, к 2020 году Beidou должна заработать в полную мощь и стать полноценной глобальной навигационной системой. При этом космический сегмент будет сформирован из пяти спутников на геостационарной орбите и тридцати — на средней земной орбите. Дополнительная функция Beidou, отличающая ее от GPS — это имеющаяся у абонентов системы возможность обмениваться между собой небольшими текстовыми сообщениями.

 

Рэн Четки, представитель руководства Beidou, сообщил, что выход навигационной системы на внешний рынок принесет Китаю 400 млрд юаней (то есть более $60 млрд) прибыли за счет предоставления услуг в области метеорологии, транспортной навигации и телекоммуникаций.

 

Однако финансовая выгода — это далеко не главная причина развертывания Китаем собственной навигационной системы. Основная идея состоит в том, что вооруженные силы Китая, как и вооруженные силы России или стран Евросоюза, не хотят полагаться на использование подконтрольной Вашингтону системы позиционирования GPS, которая может стать недоступной для них в случае международного конфликта или какой-либо другой чрезвычайной ситуации.
 

Источник: http://avtovideo.in.ua/index.php?catid=34:2013-07-16-14-08-18&id=375:2013-07-17-08-29-09&Itemid=126&option=com_content&view=article

Неспутниковые системы позиционирования и навигации / Хабр

Источник

«С женами спорить бесполезно, с ними даже навигатор соглашается».

(Из памятки молодоженам)

Эта история началась не сегодня и не вчера. И не в России. Просто прошло время, когда ее плоды стали, как говорится, налицо.

Не так давно капитан американского судна, находящегося неподалеку от Новороссийска обнаружил, что спутниковая система глобального позиционирования GPS неверно установила его местоположение и показывает, будто судно находился у шашлычной Жорика Вартанова, что в аэропорту Геленджика. Не найдя изъянов в работе навигационного оборудования, капитан связался с соседними судами и узнал, что все они также «в гостях» у Жорика. И вот уже New Scientist написал, что «сообщения о проблемах со спутниковой навигацией на Черном море наводят на мысль, что Россия, возможно, испытывает новую систему спуфинга (маскировки путем искажения данных)». Применительно к спутниковой системе спуфинг — это фальшивый сигнал с наземной станции, имитирующий работу спутника и вводящий в заблуждение абонентский приемник. Далее было написано, что, по-видимому, «Россия экспериментирует с новой формой электронного оружия. В прошлом году GPS-спуфинг хаотически нарушал работу приемников в приложениях для смартфонов в центре Москвы. Фальшивый сигнал, который, похоже, концентрируется вокруг Кремля, «перебрасывает» всех, кто оказывается неподалеку, за 32 км в аэропорт Внуково. Вероятно, это делается в целях обороны: многие управляемые бомбы, ракеты и беспилотники НАТО руководствуются GPS-навигацией, а успешный спуфинг не даст им поразить цели». Ну а Жорик по-видимому, делает это в маркетинговых целях, расширяя виртуальную клиентскую базу.

Впрочем, если журналисты и «откопали» здесь что-то новое, то разве что «технологию концентрации сигнала вокруг Кремля». Не иначе, этому помогают рубиновые звезды на башнях. В остальном же – ничего нового…

Еще немного прелюдии

Испытания систем, позволяющих подавить GPS-сигналы в помехах, уже проводились, и данная технология достаточно отработана для того, чтобы быть примененной на практике. В 2013 году, например, один из специалистов Техасского университета демонстрировал, как GPS-спуфинг может сбить с курса яхту с новейшим оборудованием. Ну а если вы считаете, что можете запустить нечто прямо в чье-то окно, то сегодня не стоит удивляться, если это нечто вдруг влетит прямо в то окно, из которого отдали приказ о его запуске.

Впрочем, двойное применение системы GPS было заложено еще в самом начале ее развития. Во времена войн США с Ираком официальный представитель министерства обороны США заявил, что американские военные способны подавлять сигналы GPS гражданского диапазона регионально, и от этой возможности отказываться не собираются, а подавление доступа к GPS в невоенном диапазоне в пределах «театра боевых действий» может существенно ослабить возможности вооруженных сил Ирака. Доступ гражданских пользователей во всем мире к высокоточным сигналам GPS, ранее доступным только военным и специальным правительственным службам США, открыл своим указом 1 мая 2000 года президент США Билл Клинтон. До этого момента гражданские сигналы GPS намеренно загрублялись, чтобы снизить точность определения координат (примерно в 5 раз). Гражданские сигналы системы GPS используют так называемый код C/A (coarse/acquisition). Военные используют т.н. «высокоточный» код p (precise code), который передается в более широкой полосе, чем гражданский. Это позволяет поставить гражданскому сигналу узкополосную помеху, тогда как военный будет продолжать функционировать. Постановщики помех могут быть размещены на возвышенных участках местности, на высоких антеннах или на борту специализированных самолетов.

Говорят, что локальное загрубление сигналов GPS уже имело место в ходе боевых действий в Афганистане, чтобы вооруженные приемниками GPS силы Талибана подольше блуждали по горам. А во время иракских событий целая флотилия рыбаков не один день блуждала по Индийскому океану в поисках дороги к дому, удивляясь на свои GPS-приемники. Южнокорейские рыболовные суда в последнее время все чаще раньше времени возвращаются в порт, когда у них пропадает GPS-сигнал. Ответственность возлагают на Северную Корею, которая, предположительно, глушит сигнал, но этого не признает. Сообщалось также, что в 2014 и 2015 годах аналогичная проблема прервала операции Береговой охраны США в двух портах, но компетентные лица не уточняли, в каких именно.

Как бы то ни было, вот вам и еще один вид электронного оружия, о котором давно знают военные, а теперь наслышаны и журналисты. А иногда в роли «оружия» выступает и сам абонентский приемник. Впрочем, сама система или помехи не всегда виноваты. – Однажды молодая девушка из канадской провинции Онтарио едва не погибла, доверившись указаниям GPS-навигатора, который ночью в дождь направил автомобиль к нужному пункту прямо через озеро. К счастью, погрузившись в озеро, девушка успела опустить стекло и выбраться наружу.

Источник

Смена концепции

Делать нечего, как GPS, так и другие глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS или ГНСС), вынуждены были сменить концепцию развития и подстраховываться системами, построенными на немного других принципах. И вся эта сегодняшняя доступность, высокая точность и низкая стоимость услуг ГНСС для потребителей имеют «обратную сторону медали» в лице уязвимости к помехам. Для маломощных сигналов ГНСС (в частности, GPS передает сигнал со спутников, находящихся на расстоянии 20 тыс. км от поверхности Земли и, разумеется, имеющих ограничения по энергетике) возрастает опасность внешних атак с подменой сигнала и наведением преднамеренных помех, а также снижения производительности в некоторых операционных средах.

Все это подвело тех, кто принимает решения, а также представителей пользовательских сообществ к необходимости пересмотреть свои ожидания по части GPS сотоварищи в сторону поиска альтернативных PNT-ресурсов (APNT — Alternative Positioning, Navigation, and Timing). Как видно из названия, там еще присутствует точное время, которое сегодня также часто берется от ГНСС. А если в двух словах, то из-за угрозы кибератак судоходная отрасль отказываются от GPS в пользу технологий Второй мировой войны. А ведь 90% мировой торговли осуществляется по морю, и в отличие от воздушного транспорта, корабли не имеют дублирующей навигационной системы. К тому же на оживлённых морских трассах велик риск посадки на мель или столкновения с другими судами, что, собственно, мы могли наблюдать в последнее время на примере серии инцидентов с кораблями 7-го флота США.

Кстати, в США еще в 2004 году директивой Президента было утверждено создание резервной системы для GPS, чтобы обеспечить бесперебойное предоставление PNT-услуг. Это модернизированная система, основанная на импульсно-фазовой навигационной системе Loran (Long Range Navigation), которая была разработана в США в годы Второй мировой войны. Улучшенная система e Loran (enhanced Loran) будет дополнена цифровой обработкой сигнала. Не так давно Палата представителей Конгресса США одобрила законопроект, который предусматривает создание e Loran в США.

Источник

Первоначально система Loran предназначалась для навигационного обеспечения ударных сил авиации и военно-морского флота при решении ими боевых задач. Высокие тактико-технические характеристики этой системы предопределили ее массовое применение гражданскими потребителями большинства стран мира для решения хозяйственно-экономических задач. В отличие от систем ГНСС система Loran транслирует сигнал с наземных мачт, где потенциально энергетика не ограничена.

Однако же и Loran – не первое в мире радиосредство позиционирования и навигации.

Что было до

На заре авиации не было радаров, поэтому свое местоположение экипаж воздушного судна определял самостоятельно и сообщал о ней диспетчеру. Экипаж ориентировался на местности визуально по населенным пунктам, озерам, рекам, холмам и находил свое место на карте. Подобный способ требовал постоянного визуального контакта с землей, что попросту отсутствовало в плохую погоду, ограничивая возможности полетов.

Первыми навигационным средствами стали радиомаяки (NDB — Non-Directional Beacon), передающие по круговой диаграмме направленности опознавательный сигнал (это две или три буквы латинского алфавита, которые передаются азбукой Морзе) на определенной частоте. Ну а приемник на воздушном судне указывает направление на такой радиомаяк. Для определения точного местоположения необходимо не менее 2-х радиомаяков (двух азимутов от них), и самолеты стали летать от маяка к маяку. Так появились первые воздушные трассы для полетов по приборам, в том числе в облаках и ночью. Правда, точность определения координат скоро стала недостаточной. Тогда радиоинженерами был создан высокочастотный всенаправленный радиомаяк VOR (Very high frequency Omni-directional Radio range). VOR передает свой опознавательный индекс азбукой Морзе из трех латинских букв.

Необходимость знания двух азимутов для определения своего положения требовала слишком большого количества радиомаяков. Для решения этой проблемы было разработано так называемое дальномерное оборудование DME (Distance Measuring Equipment), и с помощью специального приемника на борту стало возможным узнать удаление от DME. И если устройства VOR и DME расположить в одной точке, то по азимуту и удалению от системы VORDME несложно вычислить свое местоположение.

Однако, чтобы расставить маяки повсюду, их нужно слишком много, а зачастую необходимо еще точнее определить свою позицию. Так появились так называемые «точки» (fixes, intersections), которые всегда имели известные азимуты от двух или более радиомаяков. То есть воздушное судно легко могло определить, что оно в данный момент находится именно над этой точкой. Теперь воздушные трассы стали проходить между радиомаяками и точками. Появление систем VORDME позволило размешать точки не только на пересечениях азимутов, но на радиалах и удалениях от объектов VORDME. Ну а все, что разработано для воздушных судов, может быть с успехом использовано и для морских.

Источник

На современных воздушных судах установлены системы спутниковой навигации, инерциальные системы исчисления и полетные компьютеры, точность которых достаточна для того, чтобы находить точки, которые не связаны ни с VORDME, ни с NDB, а просто имеют географические координаты. В итоге в современном мировом воздушном пространстве на маршруте полета длительностью несколько часов может не быть ни одного VOR или NDB маяка. И вот выясняется, что это не всегда хорошо.

Loran-C

Когда использование ГНСС стало обрастать рисками, тема создания чего-то альтернативного стала источником длительных обсуждений в APNT-сообществе, в котором пока еще нет общего согласия по нескольким направлениям, гарантирующим надежность, целостность/достоверность и точность (синхронизации или позиционирования). Но в целом общее направление движения уже понятно, и это модернизация системы Loran-C.

Упомянутая выше система Loran в своем развитии прошла несколько стадий развития. В частности, система Loran-C — первоначально была разработана для предоставления военным пользователям радионавигационных служб США с большей степенью покрытия и точности, чем ее предшественник (система Loran-А).

Loran-C была введена в эксплуатацию для гражданского применения в 1957 году. Система использовала радиосигналы от 24 вышек на берегу, управляемые Береговой Охраной США, для позиционирования в море и в воздухе. В дальнейшем она была выбрана для использования в качестве радионавигационной системы гражданским флотом.

Источник

Радионавигационная система (РНС) Loran-C (отечественный аналог — «Чайка») относится к разностно-дальномерным РНС с синхронизацией моментов излучения и фазы импульсных сигналов, излучаемых наземными передающими станциями. Станции располагаются цепочками по 3-5 станций, которые осуществляют передачу сигналов на одной и той же частоте с одинаковым для группы периодом повторения, некоторые станции работают одновременно в двух цепях на двух периодах повторения. Каждая цепь РНС состоит из одной ведущей и ведомых станций, работающих с одинаковым, только этой цепи присвоенным периодом повторения серий импульсов.

Этот период повторения служит отличительным признаком цепи. Сигнал станции содержит серию из 8 импульсов, следующих через 1 мс. Ведущая станция дополнительно излучает 9-й импульс. Ведомые станции излучают сигналы с различной задержкой – с определенным запаздыванием относительно сигналов ведущей. Задержка излучения служит отличительным признаком пары.

Для одновременного измерения не менее 2-х разностей расстояний система работает по принципу синхронизированного излучения сигналов (пачек импульсов) ведущей и ведомыми станциями на одной несущей частоте 100 кГц и общей для них частоте повторения. Излучение сигналов станциями производится с таким сдвигом по времени, чтобы в любой точке зоны действия системы обеспечивалось временное разделение сигналов. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы любая из ведомых станций начинала излучение своих сигналов после прихода на эту станцию последнего импульса предыдущей (по очереди работы) ведомой станции с учетом задержки этого импульса за счет его многократного отражения от ионосферы. Ведущая станция синхронизирует своими сигналами (как по огибающей импульса, так и по высокочастотному заполнению) работу ведомых станций.

Дальность действия системы Loran-C на суше и на море 1400-1800 и 1800-2000 км соответственно. Мощность излучения передающих станций — 200…1000 кВт. Надежность — 99,7%. Скорость определения местоположения — 10-20 засечек/сек. Погрешность синхронизации станций внутри цепи – 30-50 нс. Точность местоопределения — до 10-50 м в радиусе до 150-200 км.

В целом радионавигационным полем 25 станций Loran-C США и 4 станций Канады в свое время была покрыта территория Северной Америки площадью 9 629091 кв. км.

Десятилетиями Loran-C была стандартной навигационной системой для коммерческого рыболовства, малотоннажного флота и других морских судов, а также для многих самолетов. Систему использовало от 1,2 до 1,5 млн. пользователей. Рабочие зоны цепей Loran-C также расширялись, перекрывая территории США и Канады, почти все побережье Североамериканского континента, Северную Атлантику, Скандинавию и Западную Европу, Северное и Норвежское моря, Атлантическое побережье Франции и Восточную Атлантику, Средиземное море, центральный и северо-западный районы Тихого океана, весь Аравийский полуостров, районы Ближнего и Дальнего Востока, Красного моря, Персидского залива, залив Аден, часть побережья Индии. Общая площадь рабочих зон цепей Loran-C превышала 95 млн.кв. В настоящее на территории Северной Европы зона покрытия системы Loran-С составляет 100 морских миль от передающих станций.

Хорошо забытое старое

Введение в эксплуатацию и быстрое развитие ГНСС GPS логично привело к постепенному отказу моряков и летчиков от услуг Loran-C. К тому же технологии GPS быстро развивались, становясь дешевле и доступнее, а система Loran-C морально старела. В результате длившихся несколько лет дискуссий, исходя из интересов национальной безопасности США, было принято решение о необходимости модернизации системы Loran-C и ее замене на улучшенную цифровую еLoran, которая будет дополнять GPS в случаях ее отключения или нарушения функционирования. По словам разработчиков, сигнал в eLoran будет в 1,3 млн раз мощнее GPS-сигнала, и его, разумеется, тоже можно заглушить, но для этого соответственно нужна очень большая мощность передатчика вкупе с большой антенной и пр., что проще отследить. Кроме поддержки резервной рабочей зоны, интенсивности сигнала и проникающей способности система eLoran может обеспечить работу служб оперативного реагирования и прочих операторов в условиях, не поддерживаемых в GPS. В системе предполагалось использовать модернизированные передающие станции и сеть связи. На разработку системы было потрачено 160 млн. долларов США, однако в октябре 2009 года Береговая охрана объявила, что система Loran-C не требуется для морской навигации, что оставляло дальнейшее существование Loran и eLoran в США на усмотрение Министерства национальной безопасности США. В 2009 года Президент США подписал законопроект, который фактически заморозил программу создания резервной системы eLoran с консервацией системы Loran-C, а Береговая охрана США прекратила передачу всех сигналов Loran-C 8 февраля 2010 года, а пользователям рекомендовано использовать систему GPS. Однако в апреле 2014 г. Палата представителей Конгресса США одобрила закон, запрещающий Береговой охране США демонтаж ранее законсервированного оборудования наземных станций Loran-C.

А 26 марта 2015 г. на рассмотрение Конгресса США был внесен проект закона «Акт по обеспечению помехозащищенности и безопасности работы Национальной системы позиционирования, навигации и времени в 2015 г. » (National Positioning, Navigation and Timing Resilience and Security Act of 2015). В нем предлагалось потребовать от Министра обороны США совместно с Комендантом Береговой охраны и Министром транспорта принять окончательное решение по развертыванию системы навигации и позиционирования наземного базирования, которая должна использовать все возможности существующей инфраструктуры Loran и выступит в качестве надежного резерва для GPS и будет использоваться как в военных, так и в гражданских целях. Эта система, как отмечается в законопроекте, должна использовать все возможности существующей инфраструктуры Loran.

Резервная система будет базироваться на сигналах 19 мачт eLoran, расположенных на территории США с радиусом действия около 1000 миль каждая. Финансирование резервной системы по сравнению с текущими затратами на поддержание GPS будет в несколько раз ниже (несколько центов в долларе затрат на GPS).

Источник

Навигационный и связной сигнал eLoran обладает чертами, которые дополняют GPS, затрудняя его нарушение; и кроме того он мог бы стать важной составляющей для обеспечения безопасности полетов беспилотных средств в воздушном пространстве.

Федеральный радионавигационный план США предписывает не быть зависимыми от единой системы в местоопределении, навигации и службе времени в качестве цели национальной политики. План специально указывает на тестирование eLoran как важного шага к достижению этой цели.

Развертывание системы, альтернативной GPS, происходит и в других странах. По данным представителя Министерства океанов и рыболовства Южной Кореи, уже к 2019 году планируется оборудовать три площадки для испытания eLoran, а потом пойти дальше. Южнокорейское правительство надеется на дальнейшее расширение зоны покрытия eLoran на территории всей Северо-восточной Азии, для чего будет сотрудничать с Россией и Китаем. Правда, не обошлось без проблем. Власти уже столкнулись с сопротивлением жителей острова, на котором планируется развернуть антенны. Собственно, для них потребовалась территория площадью более 132 кв. м с высотой мачт более 120 м, и это не всем нравится.

Генеральная администрация маяков Великобритании и Ирландии (GLA) опубликовала стратегический документ «2020 – The Vision» (Перспективы до 2020 года), в котором делается вывод о том, что система Loran-С должна быть модернизирована для ее использования в качестве резервной системы морской навигации для GNSS. Королевский институт навигации высказал убеждение, что европейская Loran-С должна поддерживаться и модернизироваться с целью превращения ее в систему еLoran.

Наиболее активно используют систему Великобритания и Ирландия, успешно внедряющие в эксплуатацию «модернизированную» eLoran. Тесты показали, что по координатно-временным характеристикам eLoran не уступает GPS и предлагает морякам точность позиционирования менее 10 м (95%) с высоким уровнем целостности, что удовлетворяет международным эксплуатационным требованиям для судов на подходе к порту. Вместе с тем, будущее сети Loran в Северной Европе в настоящее время остается неопределенным, поскольку если передачи французских и норвежских станций eLoran будут прекращены (есть такие планы с целью экономии средств, разумеется), все возможности для морской навигации в водах Великобритании также будут потеряны.

Китай, Корея и Япония продолжают работы по совершенствованию наземных передающих станций Loran-С. Серьезный интерес к модернизации Loran-C и дальнейшему развитию eLoran на территории своих государств высказали Саудовская Аравия и Индия. По некоторым данным, планы развития собственной помехоустойчивой наземной РНС также имеются у Ирана. Продолжается взаимодействие государств участников FERNS (Россия, Корея, Китай, Япония) по созданию объединенных радионавигационных служб.

Дискуссии о будущем

Тем не менее, продолжается дискуссия о будущих APNT. Например, хотя очевидно, что APNT должны отработать в случае отказа ГНСС, не достигнут консенсус в отношении длительности их работы и широты охвата, с точки зрения выбора регионов, где будут функционировать APNT. Ведь уже было несколько крупных инцидентов глушения ГНСС или подмены сигналов, да и использование PNT продолжает совершенствоваться, создавая новые угрозы. К тому же различные заинтересованные стороны имеют ввиду различные временные горизонты для APNT. К примеру, ряд целей и угроз в 2035 году будут сформулированы иначе, чем те, которые есть сегодня, или будут в 2025 году. Да и круг перспективных систем APNT отнюдь не ограничивается eLoran. К тому же, чтобы создать, ввести в эксплуатацию или изменить уже существующую инфраструктуру системы PNT или APNT, потребуется значительное время. С точки зрения потребительских устройств (приемников) или программного обеспечения, навигационная аппаратура потребителей (НАП) APNT не похожа на НАП ГНСС, и тут нельзя рассчитывать на быстрый рост продаж или регулярные обновления ПО.

Однако необходимо думать и планировать на будущее, иногда далекое будущее, и добиться консенсуса относительно того, что требуется. Например, в соответствии с требованиями FAA (Федеральное Авиационное Агентство США), APNT в настоящее время должна обеспечить точность определения местоположения около одной морской мили. Однако, в дальнейшем (с 2025 г.) появится необходимость улучшения точности от 0,3 до 0,5 морской мили. Специалисты полагают, что подобные вопросы возникнут и в телекоммуникационной области, где сегодня является достаточной точность временной синхронизации на уровне микросекунды, но уже завтра может понадобиться 100 нс.

Что касается абонентского оборудования, то люди уже привыкли к постоянному обновлению смартфонов, поэтому в случае необходимости новые технологии могут быть быстро применены при возникновении проблем с PNT. Ну а стимулировать развитие APNT может развитие даже таких потребительских устройств, как, например, роботы-газонокосилки, способные в случае помех для сигнала GPS обкорнать цветочную клумбу вашей супруги.

Источник

Автор публикации:

Александр ГОЛЫШКО, системный аналитик ГК «Техносерв»

По материалам: internavigation.ru, insidegnss.com, SecurityLab.ru, vestnik-glonass.ru, radioscanner.ru, airspot.ru, CNews.ru.

Статья была опубликована в журнале «Радио».

Quantum «компас» обеспечивает глобальную навигацию без спутников и GPS

Был разработан квантовый акселерометр, который может проложить путь к глобальным навигационным технологиям, не полагаясь на спутники и технологию GPS.

Устройство, созданное Имперским колледжем Лондона и фототехнической компанией M Squared из Глазго, использует акселерометр для измерения изменения скорости объекта во времени. Используя это и начальную точку объекта, можно рассчитать новое положение.

Большая часть навигации сегодня опирается на глобальные навигационные спутниковые системы, такие как GPS, которые отправляют и получают сигналы от спутников, вращающихся вокруг Земли. Квантовый акселерометр — это автономная система, не зависящая от каких-либо внешних сигналов. Эта технология полезна, потому что спутниковые сигналы могут стать недоступными из-за препятствий, таких как высокие здания, или могут быть заблокированы, имитированы или отклонены, что препятствует точной навигации. Один день отказа в спутниковой связи обойдется Великобритании примерно в 1 миллиард фунтов стерлингов.

Акселерометры существуют уже несколько десятилетий и широко используются в повседневных технологиях, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Однако эти устройства не могут сохранять свою точность в течение более длительного времени без внешнего эталона.

Квантовый акселерометр полагается на точность и аккуратность, возможные при измерении свойств переохлажденных атомов. При экстремально низких температурах атомы проявляют квантовое поведение, демонстрируя свойства как волн, так и частиц.

Доктор Джозеф Коттер из Центра холодной материи в Империале сказал: «Когда атомы очень холодные, мы должны использовать квантовую механику, чтобы описать, как они движутся, и это позволяет нам сделать то, что мы называем атомным интерферометром. ”

Когда атомы падают, их волновые свойства зависят от ускорения корабля. Используя «оптическую линейку», акселерометр может очень точно измерять эти мельчайшие изменения. Чтобы сделать атомы достаточно холодными и исследовать их свойства по мере того, как они реагируют на ускорение, нужны очень мощные лазеры, которыми можно точно управлять.

Доктор Джозеф Том, специалист по квантовым технологиям в M Squared, сказал: «В рамках нашей работы по коммерциализации квантовых датчиков холодных атомов мы разработали универсальную лазерную систему для датчиков на основе холодных атомов, которую мы уже внедрили в наш квантовый гравиметр. Этот лазер теперь также используется в квантовом акселерометре, который мы построили в сотрудничестве с Imperial. Сочетая в себе высокую мощность, исключительно низкий уровень шума и возможность перестройки частоты, лазерная система охлаждает атомы и обеспечивает оптическую линейку для измерения ускорения».

Текущая система предназначена для навигации больших транспортных средств, таких как корабли и даже поезда. Однако этот принцип также можно использовать для фундаментальных научных исследований, таких как поиск темной энергии и гравитационных волн, над которыми также работает команда Imperial.

Профессор Эд Хайндс из Центра изучения холодной материи в Имперском колледже сказал: «Я думаю, это чрезвычайно захватывающе, что эта квантовая технология теперь выходит из лабораторий фундаментальной науки и применяется к проблемам в более широком мире, все из фантастическая чувствительность и надежность, которые вы можете получить только от этих квантовых систем».

Доктор Грэм Малкольм, основатель и генеральный директор M Squared, сказал: «Это коммерчески жизнеспособное квантовое устройство, акселерометр, поставит Великобританию в центр грядущей квантовой эры. Совместные усилия по реализации потенциала квантовой навигации иллюстрируют уникальную силу Великобритании в объединении промышленности и научных кругов — опираясь на достижения на переднем крае науки, вне лаборатории, чтобы создавать реальные приложения для улучшения общества».

В августе правительство Великобритании объявило, что потратит 9 фунтов стерлингов2m на финансирование собственной спутниковой навигационной системы после того, как ее лишили участия в разработке программы ЕС Galileo.

Подпишитесь на электронную рассылку E&T News, чтобы каждый день получать подобные замечательные истории на свой почтовый ящик.

Спутники не нужны для навигационной системы следующего поколения, использующей «сигналы возможности»

Наука

Просмотр 2 изображений

Глобальная система позиционирования (GPS) — отличный помощник в навигации, если только вы не потеряете сигнал, преодолевая сложный спагетти-перекрёсток. Это достаточно плохо для обычных автомобилей, но для автономных транспортных средств это может быть катастрофой, поэтому Лаборатория автономных систем восприятия, интеллекта и навигации (ASPIN) Калифорнийского университета Риверсайда под руководством Зака ​​Кассаса разрабатывает альтернативную навигационную систему, которая использует вторичные радиосигналы. например, от систем сотовой связи и Wi-Fi либо в дополнение к существующим системам на основе GPS, либо в качестве отдельной альтернативы, которая, как утверждается, является высоконадежной, последовательной и защищенной от несанкционированного доступа.

На сегодняшний день действуют две глобальные спутниковые навигационные системы, американская GPS и российская ГЛОНАСС, при этом европейская система Galileo будет полностью введена в эксплуатацию в ближайшие несколько лет, а китайская система Beidou планирует выйти на глобальный уровень к 2020 году. Они произвели революцию в навигации, геодезии и дюжине других областей, но GPS и связанные с ними системы по-прежнему оставляют желать лучшего. По своей природе сигналы GPS слабые, и положение должно подтверждаться несколькими спутниками, поэтому застроенные или горные районы могут сделать систему бесполезной. Кроме того, сигналы GPS могут намеренно или случайно искажаться или подделываться из-за недостаточного шифрования и других средств защиты.

В военных кругах различные дополнительные системы используются со всем, от подводных лодок до пехотинцев, также использующих инерциальную навигационную систему (ИНС), которая использует акселерометры и компасы для расчета местоположения по последней надежной точке GPS, но они работают только в течение ограниченного времени перед они начинают дрейфовать.

Несмотря на перспективу будущих сантиметровых систем GPS, даже комбинация GPS и INS по-прежнему не подходит для автономных транспортных средств, таких как беспилотные автомобили и дроны. Дизайнеры вернулись к использованию радаров, лидаров, камер и других датчиков, чтобы компенсировать эти недостатки, что Кассас называет подходом «все, кроме кухонной раковины», и это, мягко говоря, слишком сложно.

Схема, показывающая, как команда UC Riverside использует существующие сигналы связи для дополнения спутниковых навигационных систем, таких как GPS

UCR

.

В качестве альтернативы команда UCR разрабатывает систему, основанную на сигналах возможностей (SOP), которые представляют собой радиопередачи от Wi-Fi, вышек мобильной связи, наземных радио- и телевизионных станций, а также ненавигационные спутниковые сигналы. например, как некоторые приложения GPS для смартфонов точно настраивают местоположение GPS, используя Wi-Fi и мобильные сигналы. Идея состоит в том, чтобы использовать различные радиосигналы, которые пронизывают окружающую среду, чтобы система могла сделать GPS-фиксацию более точной и точной или полностью взять на себя управление, когда GPS-сигналы терпят неудачу.

Для этого команда провела теоретический анализ доступных SOP, построила специализированные программно-определяемые радиостанции (SDR), которые могут использовать информацию о времени и местоположении из SOP, и создала навигационные алгоритмы, прежде чем опробовать систему на дронах и наземных транспортных средствах. . Есть надежда, что такой подход однажды сделает автономные транспортные средства безопасными и практичными.

«Автономные транспортные средства неизбежно приведут к социокультурной революции», — говорит Кассас. «Моя команда решает проблемы, связанные с реализацией практичных, экономичных и надежных автономных транспортных средств. Наша главная цель — заставить эти транспортные средства работать без участия человека в течение длительного периода времени, выполняя такие миссии, как поиск , спасение, наблюдение, картографирование, сельское хозяйство, пожаротушение, доставка посылок и транспортировка».

Исследование было представлено на конференции Глобальной навигационной спутниковой системы Института навигации 2016 года.

На видео ниже представлена ​​система СОП.

Источник: UCR

Нет GPS Нет проблем

ScienceGPSNavigation

Дэвид Сонди

Дэвид Сонди — драматург, писатель и журналист из Сиэтла, штат Вашингтон.