header.gif
LabVIEW document
Комплекс для изучения спутниковой навигации GLONASS EXPLORER
автор проекта - Гафни Даниил
научный руководитель к.ф.-м.н. Есиков Д.А

Проект выполняется в 2010-11 учебном году при участии ученика 7-го класса ГБОУ школы-интерната "Интеллектуал" Гафни Даниила.

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. Американец Ричард Кершнером, наблюдавший сигнал, исходящий от советского спутника, обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты. Реализована эта идея была через 20 лет.

Основой системы GPS (бывшей NAVSTAR GPS) являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), радиусом примерно 20180 км [1]. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц. Навигационная информация может быть принята антенной (обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.

ГЛОба?льная НАвигацио?нная Спу?тниковая Систе?ма (ГЛОНА?СС) — советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы должны являться 24 спутника (Рис.1), движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS [2]. В настоящее время на орбите находятся 21 космический аппарат из 24.


Рис.1  Внешний вид космического аппарата ГЛОНАСС-М.

1. Постановка задачи

В последние год-два в связи с введением в строй группировки ГЛОНАСС началось массовое внедрение технологий спутниковой навигации во все отрасли народного хозяйства. Соответственно появилась необходимость в базовых знаниях, позволяющих эффективно эксплуатировать подобные системы. Предлагаемая система, использующая сетевую инфраструктуру школы, делает доступной изучение основ спутниковой навигации, анализ навигационной информации и приобретение навыков реального использования технологии, как на уроках, так и в проектной деятельности учашихся

Проект не предполагает изучение физических принципов работы навигационных систем, равно как и особенностей использования этой информации в разных практических приложениях, а направлен на технологическом и информационном обеспечении процесса обучения. Предлагаемое решение хороше интегрируется в создавамую на базе школы сетевую информационную систему мониторинга окружающей среды.

2. Используемое оборудование и программное обеспечение

В нашем распоряжении оказалось отечественное устройство GLOSPACE SGK-M (см. сайт производителя [3]) - выносной ГЛОНАСС/GPS/SBAS приёмник со встроенной активной антенной и интерфейсом USB. Предназначен для работы с программами спутниковой навигации пользователей устройств, таких как Notebook, Netbook, Car PC box и т.п., имеющих USB-Host. Точность определения координат: 10 м, высоты: 5 м; скорости: 0,05 м/с; времени: 50 нс. Передает информацию в виде ASCII символов по протоколу NMEA-0183 (GGA, GSA, GSV, RMC).

Поскольку GPS-приемники не работают внутри помещений, SGK-M – был установлен на крыше школы в герметичном контейнере. Связь с приемником осуществлялась через USB-удлинитель ОМИКС, сигнал в котором мог передаваться по обыкновенной витой паре UTP на расстояние до 60 м (Рис. 3). Программа, управляющая работой приемника и декодирующая навигационную информацию, получившая название "GLONASS/GPS Explorer", была написана в среде LabVIEW от компании National Instruments.


Рис.2  ГЛОНАСС/GPS приемник SGK-M.

Рис.3   USB удлинитель ОМИКС.

3. Описание решения

В качестве источника информации для GLONASS/GPS Explorer можно было использовать

  • COM-порт (виртуальный),
  • GLONASS/GPS Explorer, запущенный в качестве сервера на удаленном компьютере,
  • ранее записанный файл с навигационной информацией от приемника.

GLONASS/GPS Explorer, запущенный в режиме сервера, мог дополнительно ретранслировать получаемую информацию таким же программам, но работающим в режиме клиент. Установка связи и обмен информацией между компьютерами основывались на клиент-серверной технологии, поддерживаемой LabVIEW.

Такая архитектура программы позволяет с минимальными затратами организовать на каждом рабочем месте работу с реальными навигационными данными как в on-line, так и в off-line режиме, где информация загружается из внешнего файла. Возможность записывать и считывать навигационную информацию из текстового файла позволяет моделировать перемещение объекта (приемника) в пространстве. Использование беспроводных каналов доступа к мобильному серверу с подключенным GPS-приемником, позволяет, не выходя из помещения, решать целый класс задач, в т.ч. и робототехнических.

Дополнительной особенностью программы является ее возможность ретранслировать информацию на один COM-портов компьютера. Это дает возможность использовать либо внешние навигационные устройства с COM/USB интерфейсом, либо бесчисленные коммерческие или бесплатные программы спутниковой навигации. Все это делает GLONASS/GPS Explorer весьма гибким средством для изучения технологий спутниковой навигации в школах.

Рис.4 Панель индикации программы.

Все версии GLONASS/GPS Explorer, начиная с самых ранних, позволяли анализировать информацию, передаваемую GPS-приемником в соответствии с протоколом NMEA (Рис. 4). Можно было осуществлять дополнительную фильтрацию входящих предложений (RMC, GSV и др.). Извлекалась информация о текущих координатах (RMC) и наблюдаемых ГЛОНАСС и GPS спутниках.

На панели индикации отображались:

  • текущие координаты GPS-приемника,
  • серверное и спутниковое время,
  • несколько последних положений приемника на 2-х координатной плоскости,
  • на специальной полярной диаграмме отображалось видимое положение в пространстве спутниковых группировок (ГЛОНАСС и GPS).

Мы использовали 2-х системный ГЛОНАСС/GPS-приемник с возможность определения координат одновременно по двум спутниковым группировкам. Выбор системы (ГЛОНАСС, GPS или ГЛОНАСС+GPS) , т.е. управление самим приемником осуществлялось с панели индикации программы.

Изначально проект, позиционировался как школьная исследовательская работа по GPS-навигации и сравнительному анализу систем ГЛОНАСС и GPS. Поэтому с методической точки зрения основное внимание было уделено процессу приема и декодирования навигационной информации. Кроме того, программа будучи запущенной в фоновом режиме, накапливала разнообразную статистическую информацию, позволяющую сделать выводы о точности определения координат и факторах влияющих на нее.

4. Внедрение и его перспективы

Как отдельный продукт GLONASS/GPS Explorer в минимальной конфигурации при наличии GPS-приемника может быть использован в учебном процессе даже сейчас. При разворачивании серверной версии круг образовательных и проектных задач может быть расширен за счет мобильных, робототехнических приложений и возможности моделирования в класси разнообразных навигационных ситуаций. Для нас интерес представляет интеграция этой технологии в аппаратно-программный комплекс экологического мониторинга, работы над чем ведутся в настоящее время.

5. Список литературы

  1. Официальный сайт правительства США и системы GPS. http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=GPS
  2. Информационно-аналитический центр ГЛОНАСС. http://www.glonass-ianc.rsa.ru/
  3. ОАО «НИИ Космического приборостроения» http://www.glospace-info.ru/index.html


footer
Дизайн и Оформление - Copyright © ESD Multimedia, 2008-2013

79654