Спутниковые системы навигации. Определение показателей вариации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

Курсовая работа содержит пояснительную записку формата А4, включающую 15 рисунков, 2 таблицы, 5 литературных источников.

Спутниковые системы навигации,GPS, Galileo, Глонасс, Бэйдоу

Целью курсовой работы является анализ существующих систем позиционирования и анализ перспектив данной области. Указанная цель достигается применением современных технических средств спутниковой навигации и их внедрением в транспортный поток. Эти методы зарекомендовали себя, как одни из самых эффективных методов контроля за транспортными потоками и предприятиями, которые уменьшают степень загруженности дороги, уменьшают транспортные задержки, позволяют сократить задержку доставки грузов к месту прибытия, а так же осуществить контроль за транспортными средствами.

Введение

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом Глобальная система позиционирования или сокращённо GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Также с помощью системы вмонтированной в спутники стало реально определять мощные ядерные заряды, находящиеся на поверхности планеты.

Первоначально GPS - глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Но точность была уменьшена специальным алгоритмом.

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки, и в 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США.

1. Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

1.1 Виды спутниковых навигационных систем

Спутниковые радионавигационные системы состоят из трёх основных систем (рисунок 1).

Рисунок 1 - Системы спутниковой навигации

В настоящее время работают следующие системы спутниковой навигации: NAVSTAR (GPS), принадлежащая министерству обороны США, что считается другими государствами ее главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система. А также российская ГЛОНАСС, принадлежащая министерству обороны РФ. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования. Параллельно с действующими навигационными системами разрабатываются еще 2 системы: Galileo - европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки и Бэйдоу, развертываемая в настоящее время Китаем, предназначенная для использования только в этой стране

1.2 Спутниковый мониторинг транспорта

Спутниковый мониторинг транспорта -- система мониторинга подвижных объектов, построенная на основе систем спутниковой навигации, оборудования и технологий сотовой и/или радиосвязи, вычислительной техники и цифровых карт. Спутниковый мониторинг транспорта используется для решения задач транспортной логистики в системах управления перевозками и автоматизированных системах управления автопарком.

На сайте http://minsvyaz.ru. Указанно: Использование систем спутникового мониторинга повышает качество и эффективность работы корпоративного транспорта, и в среднем на 20-25% снижают расходы на топливо и содержание автопарка. В настоящее время работают следующие системы спутниковой навигации: NAVSTAR (GPS), принадлежащая министерству обороны США, что считается другими государствами ее главным недостатком. Более известна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система. А также российская ГЛОНАСС, принадлежащая министерству обороны РФ. Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществами по сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверить невозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствия доступного клиентского оборудования. Параллельно с действующими навигационными системами разрабатываются еще 2 системы: Galileo - европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки и Бэйдоу, развертываемая в настоящее время Китаем, предназначенная для использования только в этой стране.

1.3 Применение систем навигации

Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:

Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек

Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии

Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация

Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением

Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта -- Эра-ГЛОНАСС.

Тектоника, Тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит

Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.

Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

1.4 Современное состояние

По данным сайта http://ru.wikipedia.org. На сегодняшний день функционируют в мире эти системы спутниковой навигации:

Рисунок 4-Системы спутниковой навигации

GPS. Принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства поддерживающие навигацию по GPS являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.

ГЛОНАСС. Принадлежит министерству обороны России. Система, по заявлениям разработчиков наземного оборудования, будет обладать некоторыми техническими преимуществами по сравнению с GPS. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году практически полностью пришла в упадок. Была полностью восстановлена только в конце 2011 года. К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.

Бэйдоу. Развёртываемая Китаем подсистема GNSS предназначена для использования только в этой стране. Особенность -- небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите.

На 28 декабря 2012 года выведено на орбиту Земли шестнадцать навигационных спутников, из них по предназначению используется 11.[1]

Согласно планам, к 2012 году она сможет покрывать Азиатско-Тихоокеанский регион, а к 2020 году, когда количество спутников будет увеличено до 35, система «Бэйдоу» сможет работать как глобальная. Реализация данной программы началась в 2000 году. Первый спутник вышел на орбиту в 2007-ом.

Galileo. Европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки. Планируется полностью развернуть спутниковую группировку к 2020 году.

IRNSS. Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS - 7.

QZSS. Первоначально японская QZSS была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый запуск спутника для QZSS был запланирован на 2008 г. В марте 2006 японское правительство объявило, что первый спутник не будет предназначен для коммерческого использования и будет запущен целиком на бюджетные средства для отработки принятых решений в интересах обеспечения решения навигационных задач. Только после удачного завершения испытаний первого спутника начнётся второй этап и следующие спутники будут в полной мере обеспечивать запланированный ранее объём услуг.

Рисунок 6 - Виды спутниковой навигации согласно сайту по повышению целевой программы по ПБДД

NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System -- обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) -- спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (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.

Основной принцип использования системы -- определение местоположения путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами -- спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приема антенной GPS-приемника. То есть, для определения трехмерных координат GPS-приемнику нужно знать расстояние до трех спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приемника, используются сигналы как минимум с четырех спутников.

Galileo

Галилео (Galileo) -- европейский проект спутниковой системы навигации. Европейская система предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее одного метра. Ныне существующие GPS-приемники не смогут принимать и обрабатывать сигналы со спутников Галилео, хотя достигнута договоренность о совместимости и взаимодополнению с системой NAVSTAR GPS третьего поколения. Так как финансирование проекта будет осуществляться в том числе за счет продажи лицензий производителям приемников, следует так же ожидать, что цена на последние будет несколько выше сегодняшних.

Помимо стран европейского сообщества достигнуты договоренности на участие в проекте с государствами -- Китай, Израиль, Южная Корея, Украина и Россия. Кроме того, ведутся переговоры с представителями Аргентины, Австралии, Бразилии, Чили, Индии, Малайзии. Ожидается, что Галилео войдет в строй в 2013, когда на орбиту будут выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных). Компания Arianespace заключила договор на 10 ракет-носителей «Союз» для запуска спутников начиная с 2010 года. Космический сегмент будет дополнен наземной инфраструктурой, включающей в себя два центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.

В источнике http://www.geodinamika.ru я нашла следующее:

Рисунок 7- Системы спутниковой навигации согласно www.geodinamika.ru

Система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) предназначена для определения местоположения, скорости движения и точного времени морских, воздушных, сухопутных транспортных средств и других видов потребителей. Она разрабатывалась и внедрялась как система двойного назначения, в первую очередь, для обеспечения национальной безопасности России, а также для решения гражданских научных и производственных задач.

Система ГЛОНАСС создавалась с начала 70-х годов большой кооперацией научных гражданских и военных организаций. Первые космические аппараты серии ГЛОНАСС («Космос-1413», «Космос-1414», «Космос-1415») были выведены на орбиты 12 октября 1982 года. Запуск осуществляется ракетоносителями «Протон» с космодрома Байконур.

В декабре 1995 года было завершено полное развёртывание орбитальной группировки системы ГЛОНАСС, что позволило создать сплошное глобальное навигационное поле вплоть до высот 2000 км.

Система ГЛОНАСС одобрена международными организациями морского флота (ИМО) и гражданской авиации (ИКАО), как один из элементов Глобальной навигационной спутниковой системы наряду с американской системой GPS. В 1994 году система ГЛОНАСС запатентована в США.

Спутниковые системы местоопределения GPS и ГЛОНАСС разрабатывались как чисто навигационные системы, и эти функции они выполняют блестяще. Но эксплуатация навигационных спутниковых систем, в первую очередь GPS, показала неоценимые возможности систем GPS и ГЛОНАСС в определении высокоточных координат для геодезии, геофизики, космоса, авиации и т. д.

Спутниковые навигационные системы открывают новые возможности для их использования в различных областях: поиске и спасении терпящих бедствие; предупреждении о катастрофах; сборе данных о состоянии окружающей среды; контроле контейнерных перевозок; навигации и управлении околоземными космическими аппаратами; обеспечении работ в геодезии и картографии; прокладке коммуникаций; геологоразведочных работах, разработке месторождений полезных ископаемых, включая участки прибрежных шельфов, и др.

Спутниковая навигационная система Galileo

В течение ближайших лет Европейский Союз (EU) и Европейское космическое агентство (ESA) планируют ввести в эксплуатацию новую европейскую глобальную спутниковую навигационную систему Galileo («Галилео»). Существование второй полностью рабочей спутниковой системы GNSS обещает значительную выгоду для гражданских потребителей по всему миру. Успешный запуск проекта Galileo позволит увеличить более чем в два раза количество рабочих навигационных спутников, доступных пользователям. Подобное увеличение количества спутников принесёт пользу не только при работе в автономном режиме, но и улучшит качество определения координат и способность

GPS-аппаратуры разрешать неоднозначность по фазе несущей для отслеживаемого спутникового сигнала.

Спутниковая радионавигационная система Galileo представляет собой уникальный глобальный проект системы массового обслуживания XXI века. Её параметры без преувеличения можно назвать выдающимися. В перспективе комбинированный приёмник пользователя, принимающий и дешифрирующий сигналы трёх независимых СРНС Galileo, GPS и ГЛОНАСС, получает техническуювозможность одновременно наблюдать и использовать для местоопределения и навигации более 30 разных систем без потери реальной способности вычисления координат в любых условиях затенения.

Рисунок 8- Сравнительные параметры систем GPS и Galileo

В книге Соловьева Ю.А. системы спутниковой навигации распределяются на следующие виды:

1. Глобальные навигационные спутниковые системы

1.1 Система Глонасс (Россия)

1.2 Система GPS (США)

1.3 Система Galileo (Евросоюз)

1.4 Система Compass (КНР)

2.Региональные навигационные спутниковые системы

2.1 Система OZSS (Япония)

2.2 Система IRNSS (Индия)

Заключение

Для России в силу географического положения и распределения народонаселения развитие спутниковых телекоммуникаций является необходимым условием успешной реализации программ развития страны и информатизации общества.

Использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность одновременной доставки информации практически неограниченному числу потребителей значительно снижают затраты на эксплуатацию сети связи.

Эти возможности спутниковой связи делают ее высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями.

Спутниковые решения отличаются высокой гибкостью технических параметров, что позволяет оперативно адаптироваться к изменениям архитектуры и требований к информационному взаимодействию.

Реализация космических программ существенно расширит возможности применения информационно-коммуникационных технологий в различных отраслях экономики и в ходе реализации приоритетных национальных проектов нашей страны.

Список использованных источников

1. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.

2. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.

3. http://www.geodinamika.ru

4. http://minsvyaz.ru.

5. http://vikipedia.org

2. Практическая часть

Рисунок 9 - Исходные данные

спутниковый навигационный дискретный вариация

2.1 Вычисление показателей вариации для очищенного ряда с помощью Excel

Имеется выборка из 100 значений. Необходимо найти: среднее значение, дисперсию, среднеквадратичное отклонение, моду, медиану, коэффициент вариации.

Среднее значение - числовая характеристика множества чисел или функций -- некоторое число, заключённое между наименьшим и наибольшим из их значений. для вычисления среднего значения необходимо: выделить диапазон данных > в разделе "главная" в блоке "редактирование" найти иконку суммы > выбрать из выпадающего списка среднее значение.

Результат будет приведет в конце списка в свободной ячейке, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10 - вычисление среднего значения

Дисперсия - отклонения от среднего, мера разброса данной случайной величины. Для вычисления дисперсии необходимо: найти функцию "ДИСП " > в строке формул вписать =ДИСПР > выбрать диапазон данных > Нажать "Enter".

Результат будет выведен в выбранную заранее ячейку.

Среднеквадратическое отклонение - показатель рассеивания значений случайной величины относительно её математического ожидания.

Для нахождения среднеквадратичного отклонения нам необходимо: в строке формул поставить = > выбрать функцию "КОРЕНЬ" > выделить ячейку с данными по дисперсии > Нажать "Enter".

Мода -- значение признака, имеющее наибольшую частоту в статистическом ряду распределения.

Для нахождения моды необходимо: в строке формул поставить = > выбрать функцию "МОДА" > выбрать диапазон данных для анализа > Нажать "Enter".

Результат будет выведен в заранее выделенную ячейку. В данном примере мода не может быть найдена, т.к. числа не повторяются и имеют 13 знаков после запятой.

Медиана - это такое значение признака, которое приходится на середину ранжированного ряда и делит его на две равные по числу единиц части.

Для нахождения медиана необходимо: в строке формул поставить = > выбрать функцию " МЕДИАНА" > выбрать диапазон данных для анализа > Нажать "Enter".

Результат будет выведен в заранее выделенную ячейку.

Коэффициент вариации - Показатель изменчивости относительно средней величины. Вычисляется как отношение стандартного отклонения к среднему значению.

Для нахождения этого значения необходимо: в строке формул поставить = > выбрать ячейку с результатом среднеквадратичного отклонения > поставить знак деления "/" > Выбрать ячейку с результатом среднего значения > Нажать "Enter".

Результат будет выведен в заранее выделенную ячейку.

2.2 Вычисление показателей вариации для очищенного ряда с помощью пакет анализа

Пакет анализ позволяет рассчитать все статистические данные, без использования функций. Является надстройкой excel.

С помощью пакета анализа данных так же находим искомые значения (панель управления> данные> анализ данных> описательная статистика> входной интервал(массив данных)> выходной интервал(любая выбранная ячейка)> итоговая статистика> ок).

Получаем числовые значения в виде таблицы, как показано на рисунке 16.

Рисунок 16 - результаты обработки данных пакет анализом

2.3 Проверка результатов вычислений

По результатам расчета через функцию и пакет анализа можно судить, что так как данные абсолютно совпадают. Результаты для сравнительного анализа приведены на рисунке 21. То лучшим и удобным вариантом вычисления статистических параметров является пакет анализ, так как он, непосредственно, сокращает время и упрощает сложность получения аналитических данных.

Рисунок 17 - сверка результатов вычисления

2.4 Составление интервального ряда с помощью пакет анализа

Для построение интервального ряда, для начала нам необходимо найти количество интервалов и шаг. Для того, чтобы их найти необходимо: в строке формул ввести "=1+3,32*LN(СЧЕТ(" > выбрать массив данных > Нажать "Enter" > округлить в большую сторону.

Для вычисления шага необходимо: в строке формул ввести =(МАКС(Х)-МИН(Х)) > поделить на количество интервалов > вместо "х" ввести диапазон данных. Далее необходимо составить таблицу с получившимся количеством интервалов и с шагом от минимального к максимальному.

С помощью пакет анализа находим карман и частоту. Затем составляем гистограмму со значениями по вертикальной оси - частоты, горизонтальной - карманы, как показано на рисунке 18.

Для построения гистограммы по интервалам необходимо определить края интервальных значений, для этого нам необходимо найти значения от минимального к максимальному через шаг, найденный ранее. Затем необходимо получить значения интервалов в одной ячейке, для этого в строке формул вводим "=ОКРУГЛВВЕРХ(начало интервала)&"-"&ОКРУГЛВВЕРХ(конец интервала)" > протянуть на все количество карманов.

Рисунок 18 - составление интервального ряда и гистограммы с помощью пакет анализа

Для построения гистограммы интервального ряда, нужно на вертикальной оси отложить данный по частотам, которые входят в полученные интервалы, а по горизонтальной оси - интервалы (Рисунок 18).

Размещено на Allbest.ru