УДК 621.396.931

Навигационная система автоматического управления движением объектов

Докладчик- Аунг Со Лвин - магистрант САУ и К

В наше время наука об управлении движущимися объектами имеет особую значимость. Определение положения объекта в пространстве позволяет повышать экономичность и эффективность управления сложными комплексами движущихся объектов. Навигационная система автоматического управления движением объектов является управляющей системой объектов, расположение которых определяется с помощью GPS (глобальная система позиционирования). Главным назначением этой системы является определение точки нахождения объектов. Для того, чтобы более точно узнать расположение объектов, находящиеся в любой точке мира применяется спутниковая система. При помощи информации, получаемой от спутниковой системы можно осуществлять позиционирование и управлять объектами. Недостатком такой системы является весьма высокая стоимость и наличие доступа к ресурсам спутника.

Существует много способов для управление движущимися объектами:

1. Автомобильные навигационные системы

2. Инерциальная навигационная система

3. Робототехническая карта

4. Дистанционное управление подводным транспортом

5. Глобальная система позиционирования и

6. Антенная навигационая система.

Автомобильная навигационная система является спутниковой навигационной системой. Она предназначена для использования в автомобилях. Автомобильные навигационные системы используют информацию, поступающую со спутников.

Использование GPS позволяет пользователю правильно ориентироваться на дороге в разных дорожных ситуациях особенно в черте города регионе для выбора оптимального пути следования.

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики приёмника. Приёмники с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него. Все электронные GPS-карты можно поделить на два основных типа — векторные и растровые.

Инерциальной навигационной системой является навигационная помощь, которая постоянно использует компьютер и датчики движения. В этой системе не используется спутник и в зависимости от скорости движения управляемых объектов нужно произвести вычисления, чтобы узнать их расположение. Инерциальная навигационная система позволяет определять местоположение объекта расчётным путём, используя информацию, поступающую с датчиков движения.

Инерциальные навигационные системы имеют угловые и линейные акселерометры. Можно применять один датчик для каждой из трех осей: pitch (нос вверх и вниз), yaw (нос влево и вправо) и roll (по часовой стрелке или против часовой стрелки из кабины).

Робототехнической картой называется система управления роботами. При управлении роботами используются антенны или другие подобные устройства для получения и отправления сигналов. Робототехническая карта связана с картографией. Её задача состоит в том, чтобы иметь возможность построить (или использовать) карту или план и локализовать себя в нём.

Альтернативные системы могут быть использованы с планом картой для роботов в помещениях в сочетании с локализацией беспроводных устройств.Электрические маяки также были предложены для дешевых автомобильных навигационных систем.

Дистанционным управлением подводным транспортным средством называется управление объектами, выпущенными в воду, и которыми можно управлять в зависимости от длины кабелей. Эту систему также можно применять на земле.

Термин «подводный» часто используется применительно к оборудованию, технологии и методам, используемым для разведки. Термин «глубоководный» часто используется для обозначения подводных проектов

Подводные производственные системы могут варьироваться по сложности от одного спутника до бесконечности. И с линия связи соединены с стационарную платформу.

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:

Спутниковая трилатерация - основа системы

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.

Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер.

Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников.

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный код.

Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42
МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами.

Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом. Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

Точная временная привязка – зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат .

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время . На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации приведённые ниже рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.

Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников.

Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться как показано на рисунке.

Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом.

Если сделать замер до третьего спутника, то полученный радиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке.

Когда GPS приёмник получает серию измерений которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к дной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание.

Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

Расположение спутников – определение точного положения спутников в космосе.

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12
часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55° , расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывное слежение за
спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом*. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42
МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Коррекция ошибок – учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере.

Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPS являются трудноустранимыми.

Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.

Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.

Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Раньше существовал ещё один источник ошибок – это Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A), искусственное снижение точности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 метров. Однако 1 мая 2000 года по решению президента США "Избирательный Доступ" был отключен. Кроме того, S/A можно исключить, применяя технику дифференциальной коррекции.

Антенной навигационой системой называется система управления объектами. При применении этой системы обеспечивается определение места положения движущихся объектов (например автомобилей) находящимися в зоне действия системы. Вместо спутника для отправления и получения сигналов используются четыре антенны. Место расположения антенн выбирается из соображений обеспечения зон пересечения действия антенн, с тем чтобы обеспечивался качественный прием передаваемых сигналов и расположение антенн в пространстве с учетом карты местности.

При применении антенн происходит получение и отправление сигналов. Из проделанного анализа существующих навигационных систем, наибольший интерес для настоящей работы представляет «Антенная навигационная система» позволяющая решать навигационные задачи управления без использования спутниковых систем. Это имеет особую актуальность для создания навигационных систем управления транспортом в столице и других городах Мьянмы, не имеющих собственных спутников.

Приёмная система – это самая важная система в каждой навигационной системе, потому что она позволяет узнать, где сейчас находится та машина, которой я управляю.

Чтобы узнать расположение объектов в этой навигационной системе, спутник очень важен.Но у нее существуют недостатки. Так как спутник очень дорогой и он находится очень далеко от земли. Поэтому, если время передачи информации от объекта к спутнику, мало то невозможно будет определить местоположение объекта потому что он постоянно движется, а сигнал могу исчезнуть.

Если я не знаю, где сейчас находится объект, невозможно управлять им. Но в Мьянме нет спутников. Тогда как можно работать? Это не проблема. Нужно использовать другой прибор, который может работать как спутник.

Антенную навигационную систему можно применять в отдельном городе или месте для создания системы навигации автомобилей.

Создание подобных систем имеет особое значение для стран подобных Мьяме, в которых нет спутников. В этой навигационной системе вместо спутника применяется другое устройство. Вместо спутника для отправления и получения сигналов используются антенны, поэтому эта система называется антенной навигационой системой. В том месте, где желаем применять антенную навигационую систему я располагаю антенны, с помощью которых я буду управлять и получать информацию.

В данном случае необходимо использовать для управления объектами большие антенны. Янгон – это вторая столица Мяньмы. Площадь Янгона составляется почти 350 кв.км. Сейчас эту антенную навигационную систему использую только в самых важных районах. Её можно использовать только на площади не больше 225кв.км (Рис.3).

Здвсь рассматривается вариант создания навигационной системы для столицы Мьянмы города Янгона. Предложено расположение системы антенн. Рассматриваются методы модуляции и обработки сигналов, а также структура мобильных приемо-передающих устройств.

Я разбил столицу Янгон на части по главным местам. Площадь каждой части приблизительно равняется S=4х(7,5км х 7,5км). Я поставил в каждую часть одну антенну.

1. Первая антенна размещена в городском “Гольф-курорте”
2. Вторая антенна размещена около“Big C” супер рынка.
3. Третья антенна размещена около “Чы Минт Даи” колледжа .
4. Четвёртая антенна размещена рядом с “Юзана плазой”

В этой системе используюся четыре антенны .Каждая из них способна получать и передавать сигналы по радиусу 5,25 км. Я задал сигалы с помощью дистанционного управления через четыре антенны к объектам, которыми желал управлять. При получении сигналов, как показано на слайде, я кодировал аналоговые сигналы в цифравые. После этого с помощью декодера я буду получать сигналы.

При использовании антенной навигационой системы, применяемой в отдельном месте (город или то место, где желаем), сигналы не могут исчезнуть, что позволяет узнать расположение объектов более точно. Очень легко используется эта система в любых странах мира.Скорость получения и отправления сигналов быстрее нежели в других системах. Кроме того, её можно использовать не только на земле,но и под водой.