Спутниковые навигационные системы. Принципы спутниковой навигации
39. Снс gps «Navstar» и «Глонасс».
Снс NAVSTAR (GPS).
Состоит из 24 навигационных ИСЗ наземного командно-измерительного комплекса аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трёхмерном околоземном пространстве. Спутникм GPS расположены на 6 средневысоких орбитах (высота 20183) и имеют период обращения 12 часов. Плоскости орбит расположены через 60о и наклонены к экватору под углом 55 о. На каждой орбите располагается 4 спутника, три основных и один запасной. 18 спутников – это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земли не менее 4-х спутников. Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она имеет 2 режима определения места судна: 2D (определение навигационных параметров на поверхности Земли) и трёхмерный 3D (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения положения объекта в трёхмерном режиме требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х ИСЗ, а при двухмерной навигации – не менее 3-х. В системе используется псевдодальномерный метод определения положения и псевдорадиально-скоростной метод нахождения скорости объекта. Излучение навигационных сигналов спутниками GPS производится на 2- частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения – непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой защищённый Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2 и общедоступный С/А-код (coarse and acquisition code), излучаемый только на частоте F1. В GPS для каждого спутника определён свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей: точные определения (PPS – precise positioning service) и стандартный определения (SPS – Standart positioning service), PPS основывается на точном Р-коде, а SPS – на общедоступном С/А-коде. Уровень обслуживания PPS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS – массовому гражданскому потребителю. Кроме кодов Р и С/А спутник регулярно передаёт сообщение, которое содержит информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Основными источниками погрешностей, влияющих на точность бортовой аппаратуры для массового потребителя являются:
ионосферные погрешности, обусловленные задержками в распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, которые приводят к ошибкам определения положения порядка 20-30 м днём и 3-6 м ночью;
тропосферные погрешности, причиной которых являются искажения в прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Они не превышают 30 м;
эфемеридная погрешность, обусловленная разностью между расчётным и действительным положениями спутника, которая составляет не более 3 м;
погрешность определения расстояния до спутника, обычно не превышает 10 м.
Средняя квадратическая величина погрешности режима селективного доступа (ошибки искусственного происхождения, вносимой до 2000 г. с целью загрубления навигационных измерений) составляла примерно 30 м. Следует также обратить внимание и на периодические возникновения в системе зон PDOP (Position dilution of precision), в которых не обеспечивается объявленная точность навигации. Эти зоны возникают в течении 5-15 минут в диапазоне 30-50о градусов северной широты. Основным способом повышения точности местоопределений GPS в режиме SPS является применение принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный способ (DGPS) реализуется с помощью опорной станции с известными координатами, устанавливаемой в районе определений места. На станции располагается контрольный GPS-приёмник. Сравнивая свои известные координаты с измеренными, контрольный GPS-приёмник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу. Аппаратура потребителя в этом случае должна быть дополнена радиоприёмником для получения дифференциальных поправок. Поправки, принятые от опорной станции, автоматически вводятся в результаты измерений. Это позволяет установить в районе опорной станции координаты объекта с точностью 1-5 м. Точность DGPS-определений зависит от характеристик опорной станции и от расстояния от объекта до опорной станции. По этой причине опорноую станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Существенной проблемой, снижающей эффективность системы GPS, является неточность геодезической съёмки ряда районов Земли. GPS представляет координаты определяющихся объектов во всемирной географической системе WGS-84. Существуют поравки для перехода от этой системы к ряду других геодезических систем, одако не ко всем. В рюде районов Земли (например, о-ва Юго-Восточной Азии), съёмка которых производилась в далёком прошлом, из-за больших погрешностей опорных точек геодезической сети отличие координатной системы карт от WGS-84 может быть значительным. Из-за отсутствия поправок место судна в системе WGS-84, перенесённое на такую карту, может оказаться на берегу.
Советская глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС состоит из 24 ИСЗ, неземного командно-измерительного комплекса и является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трёхмерном околоземном пространстве. В полном объёме функционирование ГЛОНАСС началось с января 1996 г. Спутники ГЛОНАСС расположены на трёх средневысоких орбитах (высота 29100) и имеют период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 120о и наклонены к экватору под углом 64,8о. На каждой орбите располагается 8 спутников. Каждый спутник излучает информацию о своей точной позиции и информацию о позициюх других спутников. Излучение навигационных сигналов спутниками ГЛОНАСС производится на двух несущих частотах: F1 и F2. Значения частот F1 всех спутников ГЛОНАСС лежат в диапазоне 1602,6-1615,5 МГц и отличаются для разных спутников на величину кратную 0,5625 МГц. Соответственно значения частот F2 находятся в диапазоне 1246,4-1256,5 МГц и отличаются для разных спутников на величину, кратную 0,4375 МГц. Навигационные сигналы представляют собой Р-код, излучаемый на частотах F1 и F2, и С/А-код, излучаемый только на частоте F1. В отличие от GPS, где коды Р и С/А для разных спутников разные, в ГЛОНАСС они одинаковы для всех спутников. Таким образом в отличие от применяемого в GPS кодового метода в ГЛОНАСС реализован частотный метод различения навигационных сигналов спутников. ГЛОНАСС даёт место в геодезической системе П390. Разница между положением объкта в П390 и WGS-84 не превышает 15 м, в среднем случае она составляет 5 м. Система ГЛОНАСС может использоваться совместно с GPS (GPS and GLONASS global navigation satellite system – GNSS). Это позволяет по сравнения с GPS повысить точночть числа наблюдаемых спутников, улучшения геометрии их расположения в высоких широтах, использования обоих кодов ГЛОНАСС в аппаратуре для массового потребителя, что даёт возможность более точно учесть в GPS ионосферную погрешность.
ГЛОБАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМА (англ. Global Positioning System, сокр. GPS; иногда называется ГСМ — глобальная система местоопределения), радиосистема определения местоположения, использующая навигационные спутники. Такие системы обеспечивают круглосуточную информацию о трехмерном положении, скорости и времени для пользователей, обладающих соответствующим оборудованием (GPS-приемник; Glospace) и находящихся на или вблизи земной поверхности (а иногда и вне ее). Первой системой GPS, широко доступной гражданским пользователям, стала NAVSTAR, обслуживаемая Министерством обороны США. Своя система была разработана и в СССР, но использовалась исключительно для военных целей (до 1991 использование GPS на территории СССР было вообще запрещено, кроме военных). Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. Необходимое число спутников, 24, было достигнуто к 1995, но в дальнейшем из-за экономических и политических трудностей орбитальная группировка сократилась. В 2007 начато коммерческое использование отечественной системы ГЛОНАСС (сокр. от Глобальная навигационная спутниковая система). Находится в стадии разработки система «Галилео», развиваемая странами ЕС.
Американская система NAVSTAR началась с запуска первого спутника в феврале 1978.
Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Систему образуют 24 спутника, находящиеся на точно заданных орбитах. Они передают непрерывные сигналы приемникам на суше, в море, в воздухе и с космосе. GPS служит для определения местоположения, навигации, картографирования, прокладки маршрутов, отсчета времени и синхронизации событий. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал от хотя бы некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.
Приемное устройство GPS использует спутниковые сигналы для измерения расстояния от каждого от четырех (или больше) спутников, которые в этот момент находятся в его поле зрения. Альманах (астрономический календарь) в приемном устройстве, который обновляется корректирующими сигналами со спутников, определяет, где именно находятся сейчас спутники. Зная положение четырех спутников и расстояние до каждого из них, приемник может вычислить скорость своего движения. Стандартные приемники могут фиксировать местоположение с точностью в несколько метров и время — до 1 миллионной секунды. Новейшие приемники имеют точность до нескольких сантиметров.
GPS обеспечивает единый мировой стандарт для измерения пространства и времени. Ее точность позволяет самолетам летать ближе друг к другу, по более прямым маршрутам, повышает безопасность полетов.
Сигнал NAVSTAR содержит т. н. «псевдослучайный код» (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24), т. к. это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).
Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.
Двадцать четыре спутника вращаются вокруг Земли на высоте ок. 20 тыс. км. На каждой из шести орбитальных плоскостей располагается по четыре спутника. Несмотря на то, что орбиты точно выверены, ошибки все же случаются и спутники передают на приемники GPS навигационные поправки для обновления альманахов. Навигационные поправки сообщаются спутникам наземными станциями, которые непрерывно следят за их местоположением и скоростью.
Определение дальности
Приемник GPS определяет свое положение путем вычисления расстояния до каждого из четырех спутников, точное местоположение которых известно. Каждый спутник передает сигналы; на то, чтобы они достигли приемника, требуется определенное время. Встроенные часы приемника синхронизированы с атомными часами спутников, что позволяет вычислять время прохождения сигналов. Расстояние до каждого спутника вычисляется по времени прохождения сигнала и скорости распространения радиоволн. С помощью метода, называемого триангуляцией, измеренные расстояния объединяются с данными о положении спутников, и это позволяет определить местоположение приемника.
GPS (Global Positioning System, система глобального позиционирования) — система определения местоположения объектов, основанная на использовании искусственных спутников Земли. Точность системы от 2 до 100 м в зависимости от вида терминального оборудования. GPS-navigators — широкий по практическому назначению и конструктивному исполнению класс устройств, предназначенных для определения местоположения объектов и определения параметров их движения непосредственно с мест их нахождения или на расстоянии. В основе принципов их построения лежит использование GPS, вычислительной техники и телекоммуникационных систем и сетей, в первую очередь Интернета. GPS-навигаторы нашли распространение в военном деле, на всех видах транспорта и в быту. Достижения микроэлектроники и вычислительной техники позволили сократить размеры терминального оборудования, устанавливаемого на подвижных объектах при одновременном повышении их функциональных и эксплуатационных характеристик. В результате появились различные модификации, предназначенные для персонального использования вне транспортной среды (непосредственно человеком), в частности, устанавливаемые на КПК и ноутбуках. К малогабаритным GPS-навигаторам можно отнести GPS-локаторы и часы-навигаторы. GPS-locators обеспечивают контроль (в том числе круглосуточный) местонахождения объектов слежения, например, детей, условно осужденных лиц, людей, страдающих болезнью Альцгеймера.
ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) — российский аналог GPS. В июне 2005 года постановлением правительства РФ принято решение о поэтапном (до 1 января 2009 года) оснащении аппаратурой ГЛОНАСС (или комбинированными средствами ГЛОНАСС/GPS) космических аппаратов, воздушных, морских и речных судов, автомобильного и железнодорожного транспорта, используемого для перевозки пассажиров, специальных или опасных грузов, а также приборов и оборудования, применяемых при проведении геодезических и кадастровых работ.
Часы-навигаторы — часы, снабженные GPS-приемниками. Часы-навигаторы имеют габариты обычных наручных часов, в них реализованы функции определения местоположения (долгота и широта), отправная точка пути и расстояние до места движения, текущая скорость, промежуточные пункты, направления между ними. Часы-навигаторы могут связываться с компьютером для передачи и обработки GPS-данных, импортировать и просматривать растровые изображения карт (в форматах JPEG и BMP), планировать перемещение по заданному маршруту.
Первоначально GPS была создана министерством обороны США, предназначалась для военных нужд и имела название Navstar (Navigaion System with Time and Ranging — навигационная система с возможностью определения времени и расстояния). Система Navstar имела цель обеспечить военных возможностью определять координаты объекта в любой точке поверхности Земли. В дальнейшем было разрешено использование системы в коммерческих целях. До 2000 года все пользователи системы делились на две категории: привилегированные (военные) и обычные (гражданские). Для гражданских пользователей GPS в сигнале спутников была доступна лишь часть информации, которая позволяла определять координаты с ошибкой до нескольких десятков или даже сотен метров, в то время как для военных система работала с максимальной точностью — погрешность составляла не более нескольких метров. С 2000 года ограничения для гражданских пользователей были отменены.
В период с 1978 по 1994 год на орбиту высотой около 20 тысяч км были выведены 24 основных спутника, обеспечивающих функционирование системы GPS. В дальнейшем было добавлено еще четыре резервных спутника. За работой системы следят четыре наземные станции, в обязанности которых входит корректировка навигационной информации и часов в спутниках, а также контроль работоспособности каждого из них. Коммерческая эксплуатация GPS началась в 1995 году. Владельцем всех спутников и наземных сооружений, несмотря на коммерциализацию GPS, является министерство обороны США.
Спутники излучают фазомодулированный сигнал на двух частотах — L1 на 1575.42 МГц и L2 на 1227.60 МГц. Первая предназначена для гражданских пользователей, вторая — для военных. Информация, передаваемая спутником, делится на три категории: C/A-код, P-код и Y-код. C/A-код (Coarse Acquisition — грубое приближение) позволяет оценить местонахождение с точностью до 100 м. P-код (Precision code — прецизионный код) позволяет определять положение с точностью до нескольких метров. Y-код представляет собой шифрованную версию P-кода. Кодами типа C/A и P модулируется частота L1, частота L2 модулируется либо кодом P, либо кодом Y (в случае форс-мажорных обстоятельств, когда необходимо запретить использование сервиса GPS гражданским пользователям или противнику). К сигналу с частотой L1 подмешивается так называемое навигационное сообщение (Navigation message) — блок информации о текущем состоянии спутника (время, координаты). Навигационное сообщение имеет размер 25x1500 бит и передается блоками по 300 бит со скоростью 50 бит/с. Полное навигационное сообщение принимается за 12,5 минут.
В системе GPS абонентский терминал представляет собой многоканальный приемник, имеющий возможность одновременно принимать сигнал с нескольких спутников. GPS-терминал — абсолютно пассивное устройство, не имеющее собственного передатчика. Принцип работы системы основан на сравнении временных задержек между принятыми сигналами с минимум трех (обычно — четырех-восьми) спутников и вычисление координат по удаленности от нескольких точек с известными координатами (то есть спутников). При этом приемник, рассчитав расстояние до всех спутников, сигнал которых он уверенно принимает, строит несколько сфер и по точкам пересечения этих сфер вычисляет приблизительное собственное местоположение на основе навигационной информации о координатах спутников, также приходящей с сигналом.
Для увеличения точности определения координат (например, в геодезии и картографии точность в несколько метров может оказаться недостаточной) используется метод дифференциального GPS. При этом, помимо спутникового сигнала, приемник использует сигнал стационарного, мощного передатчика, положение которого известно и стабильно. Это позволяет нивелировать проблемы позиционирования, так как можно вычислить текущую ошибку системы, сравнив реальные координаты стационарного передатчика с данными, полученными через систему GPS.
Введение
На сегодняшний день в мире существует несколько навигационных систем, использующих искусственные спутники Земли, но предлагающими действительно глобальный сервис позиционирования практически в любом месте нашей планеты являются лишь две: российская ГЛОНАСС и американская NAVSTAR. Именно к ним принято относить популярное сокращение GPS.
Общие принципы функционирования СНС
СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR создавались исходя из следующих требований: глобальность, помехозащищенность, непрерывность работы, независимость от погодных условий, рельефа, степени подвижности объекта.
Важнейшие из этих требований:
· доступность - степень вероятности работоспособности СНС перед ее применением и в процессе применения;
· целостность - степень вероятности выявления отказа системы в течении заданного промежутка времени;
· непрерывность обслуживания - степень вероятности сохранения непрерывной работоспособности системы на заданном промежутке времени.
Под заданным промежутком времени понимают наиболее важный для потребителя (например, посадка лайнера).
ИКАО - учреждение ООН, устанавливающее международные нормы гражданской авиации - с целью повышения безопасности использования авиации, выдвинуло жесткие требования к основным параметрам СНС (от 0,999 до 0,99999).
Основа концепции NAVSTAR и ГЛОНАСС составили: независимость (определение искомых навигационных данных в аппаратуре потребителя) - это усложняет оборудование потребителя, но не значительно; беззапросность (все вычисления в пользовательской аппаратуре производятся на основе пассивно принятых сигналов от НКА с известными орбитальными координатами). Сочетание независимости и беззапросности придает СНС неограниченную пропускную способность (произвольное число потребителей могут использовать СНС в любое время).
Весь результат СНС достигается путем взаимодействия 3 сегментов: космический, управления и потребителей.
Космический сегмент.
Точность местоопределения зависит от взаимного орбитального расположения спутников и параметров их сигналов. Необходимо, чтобы в зоне видимости потребителя были 3-5 НКА.
На практике орбитальная структура строится так, чтобы их было 6. Есть также резервные спутники.
Основная задача НКА - формирование и излучение сигналов, необходимых для решения навигационных задач. Состав оборудования НКА: радиопередающее оборудования - для передачи навигационного сигнала и телеметрической информации; радиоприемное оборудование - для приема команд от наземных комплексов управления; антенны; бортовой эталон времени; солнечные и аккумуляторные батареи и т.д.
НКА сигналы имеют 2 составляющие: дальномерную (для определения навигационных параметров - дальность до НКА, вектора скорости потребителя, его пространственная ориентация); служебную (содержит информацию о координатах спутника).и ГЛОНАСС часто называют сетевыми, так как важное значение имеет синхронизация НКА и объединение их в сеть.
Существует в СНС такое понятие, как джаминг (подавление сигнала вражеской СНС, вызывая помехи), спуфинг (подмена сигнала) и антиспуфинг (защитная реакция СНС на спуфинг).
Сегмент управления
Этот сегмент состоит из главной станции, совмещенной с вычислительным центром; группы контрольно-измерительных станций (КИС); наземного эталона времени и частоты.
КИС (размещаемые по возможности максимально равномерно) наблюдают за спутниками, принимают навигационные сигналы, осуществляют первичную обработку информации и производят обмен данными с главной станцией. После этого на главной станции математически обрабатывают сигнал и вычисляют корректировки.
Наземный эталон более точный, поэтому с ним синхронизируют все остальные.
Сегмент потребителей
Всех потребителей можно условно разбить на три вида: военные, частные и гражданские.
Состоит он из:
· радиочастотный тракт - в нем происходит прием радиосигналов НКА, их первичная обработка;
· вычислитель - для вторичной обработки (выделение навигационной информации, реализация алгоритма выбора оптимального созвездия и вычисления пространственных координат и вектора скорости потребителя).
Определение координат НКА
При существующем подходе к построению СНС максимально возможный объем вычислений стараются перенести на наземный комплекс управления. КИС расположены на ограниченных территориях и не обеспечивают непрерывное наблюдение за НКА. Результаты доступных наблюдений подвергаются математической обработке и на основании этих данных составляется прогноз параметров орбиты (эфемериды) вплоть до следующего прогноза.
Эфемериды - спрогнозированные, путем алгебраических вычислений, параметры орбиты и их производные.
Альманах - набор сведений о текущем состоянии СНС вцелом.
Прецессии - движение по конусу.
Нутации - небольшие колебания.
Геоцентрическая инерционная система координат
Система координат, состоящая из трех осей (X, Y, Z) и точкой начала координат О, находящейся в центре тяжести Земли. Ось Х направлена от точки О в точку Овна (весеннего равноденствия) и проходит в плоскости экватора; Y - дополняет Х до правой в плоскости экватора; Z - совпадает с осью вращения Земли и проходит через полюсы.
Геоцентрическая подвижная система
Аналогичная инерционной системе, разница лишь в оси Х, проходящей через
нулевой меридиан (Гринвичский).
Геодезическая система
Определяет координаты точки относительно земной поверхности. Широта - угол между отвесной линией, проходящей через точку, и плоскость экватора.
Долгота - угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку.
Невозмущенное (кеплеровое движение) - движение, на которое влияет только
сила тяжести Земли и центр тяжести тела находится в центре тяжести Земли.
Возмущающие факторы
· притяжение Луны и Солнца;
· давление светового излучения Солнца;
· неравномерность гравитационного поля Земли;
· сопротивление среды при движении спутника.
Анализируя эти факторы, можно сделать выводы:
экваториальные орбиты имеют наиболее стабильную форму, но нестабильное положение орбитальной плоскости и орбиты в этой плоскости;
полярные орбиты имеют стабильную орбитальную плоскость, но сравнительно большие изменения формы орбиты;
наклонные орбиты i≈60° имеют компромиссную стабильность параметров.
ГЛОНАСС и NAVSTAR применяют средневысотные наклонные орбиты (i≈60°).
Угол i - называется угол между экваториальной и орбитальной плоскостями. i≈90° - приполярная орбита; i=90° - полярная; i=0° - экваториальная.
Не маловажным фактором является также угловая скорость (векторная
величина, характеризующая скорость вращения тела). У круговых орбит она более
стабильная, поэтому они используются ГЛОНАСС и NAVSTAR.
Характеристики спутников
Зона обзора.
Это участок земной поверхности, на котором можно принимать сигналы НКА и осуществлять за ним наблюдение. Центром этой зоны является географическое место спутника (в месте пересечения земной поверхности и линией, соединяющей центры тяжести Земли и НКА).
Совокупность таких мест называется трассой спутника.
Радиогоризонт - условная линия, меньше истинного горизонта на 5-10° - величину маски.
Зона видимости.
Область небосвода, в которой НКА наблюдается с момента восхода над горизонтом, до момента его захода за горизонт.
Продолжительность наблюдения.
Промежуток времени, во время которого потребитель наблюдает НКА. Максимален, если потребитель находится в трассе НКА. Зависит от высоты полета и от периода обращения.
спутниковый навигационный орбитальный космический
Навигационные задачи и методы их решения
Совокупность точек с одинаковой дальностью до НКА (R) формируют поверхность положения, центр которой совпадает с фазовым центром передающей антенны.
При получении 2-ух поверхностей положения, получаем линию положения - совокупность точек, имеющих 2 заданных значения навигационного параметра R.
Навигационный параметр - геометрический параметр, совпадающий с радионавигационным.
Пересечение 2-ух сфер дает линию положения в виде окружности, из-за чего возникает неоднозначность местоположения, так как получаем две линии положения, пересекающихся в двух местах. Устраняется это введением еще одной линии положения, или дополнительной информации о местоположении.
Дальномерный метод
Ri - дальность между потребителем и НКА; Xi, Yi, Zi - координаты НКА; X,Y,Z - координаты потребителя.
Возникает неоднозначность, так как координаты потребителя находятся в точке пересечения трех поверхностей положения. Устраняется неоднозначность знанием ориентировочных координат потребителя, а если такой возможности нет - используют дальность до третьего НКА.
Для наземного потребителя линия положения - окружность на поверхности Земли. Однако часто высота потребителя неизвестна, и поскольку Землю нельзя принять а поверхность положения (не идеальная форма) - надо использовать минимум не 3, а 4 НКА.
Если еще учесть, что часто некоторые НКА находятся близко к
радиогоризонту (что чрезвычайно невыгодно с точки зрения приема радиосигнала),
остается очевидной необходимость использовать 5-6 НКА, что и обусловливает
орбитальную структуру СНС. В этом способе пренебрегают Δt
- расхождение в шкалах
времени (из-за несинхронизации и взятия исходных данных не в один момент
времени).
Псевдодальномерный метод
Δt - величина постоянная. Поэтому при измерении дальности до i-ого НКА получают псевдодальность R’i=Ri + ΔR (ΔR=c* Δt).
В этом уравнении 4 неизвестных (X,Y,Z, ΔR). Поэтому также нужны априорные знания координат потребителя, в противном случае, необходимо использовать не 4, а минимум 5 НКА, что тяжело сделать на практике.
Жесткие требования этого способа реализуются только среднеорби-тальными СНС. Положительным качеством этого метода является то, что найдя постоянную погрешность ΔR=с* Δt, потребитель находит Δt, что дает ему возможность синхронизировать свою аппаратуру с эталоном временем НКА.
Определение пространственной ориентации потребителя
Одной из важных задач является определение пространственной ориентации потребителя. Один из способов решения этой задачи:
В 2-ух точках А и В потребителя устанавливаем приемники СНС. Приемники синхронно измеряют 2 дальности до i-ого спутника с известными координатами. Учитываем разность фаз сигналов, принимаемых А и В. Решается система из 3-ех уравнений, которые получаем в результате измерения минимум 3-ех дальностей.
Радиосигналы
Навигационные параметры СНС определяют через соответствующие параметры радиосигнала. Основными навигационными параметрами радиосигналов является:
· дальность (определяется через задержку сигнала);
· радиальная скорость (через доплеровское смещение).
В NAVSTAR используют кодовое разделение каналов, а в ГЛОНАСС частотное.
Потребитель часто принимает сигналы с разных спутников одновре-менно, поэтому необходим приемник с коррелятором (своего рода фильтр, вычисляющий значение корреляционной функции между принимаемым и опорным сигналом).
Шумоподобные сигналы (ШПС)
ШПС - используются для достижения высокоточности измерения параметров навигационного сигнала. ШПС имеют высокую помехоус-тойчивость, из-за того, что ширина спектра больше ширины спектра помех. ШПС имеют большую базу и позволяют иметь высокую разрешающую способность.
База сигнала - это произведение эффективной длительности сигнала на его эффективную ширину спектра.
В современных СНС используют фазоманипулированные ШПС (после-довательность радиоимпульсов, начальные фазы которых имеют дискретные значения, чередующиеся по определенному закону.
Факторы, влияющие на точность определения вектора потребителя
Источники возникновения дальномерной погрешности можно разделить на 3 группы:
Вносимые контрольно-измерительным комплексом и оборудова-нием навигационного спутника.
2. Возникающие на трассе распространения сигнала.
Вносимые приемоиндикатором потребителя(зависят от качества оборудования потребителя).
Погрешности первой группы обусловлены неидеальностью частотно-временного и эфемеридного обеспечения НКА. Они зависят от качества бортового и КИС-ого оборудования, от стабильности эталона частоты и времени. На сегодняшний день при помощи КИС ведется постоянное наблюдение за эталонами каждого НКА и коррекция рассчитывается индивидуально.
Также существует групповая задержка навигационного сигнала в аппаратуре спутника - это интервал времени между выходным навигационным сигналом в центре передающей антенны и выходным сигна-лом бортового эталона частоты и времени. (Измеряется при сборке и калибровке аппаратуры).
Для средневысотных СНС имеют также значение релятивистские и гра-витационные погрешности, обусловленные различиями скоростей НКА и потребителя а также различиями гравитационного потенциала в точках расположения НКА и потребителя.
Погрешности второй группы наименее предсказуемы.
Рефракция радиоволн - это искривление пути распространения радио-волн. Обусловлена неоднородностями и изменениями диэлектрической погрешности с высотой. Зависит от давления влажности, температуры.
Малые углы невыгодны для распространения радиоволн, так как рефракция достигает максимального значения. Поэтому учитывают угол маски (5-10°) при определении радиогоризонта.
Ночью рефракцией пренебрегают. В NAVSTAR существуют наблюдения за количеством свободных электронов в ионосфере. В ГЛОНАСС это отсутствует.
Негативно на определение вектора потребителя влияет многолучевой прием. Особенно ощущается авиационным потребителем, из-за большой высоты от отражающих объектов.
ГЛОНАСС
Состоит из 24-ех спутников в 3-ех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены относительно друг друга на 120°. В каж-дой орбитальной плоскости по 8 спутников, со сдвигом по аргументу широты 45°. Орбиты спутников являются очень близкими к круговым, высота 18840-19440 км (номинальная - 19100 км). Наклонение орбит - i=64.8°. Орби-тальная структура построена так, что с любой точки наблюдается минимум 4 спутника.
Непрерывность навигационного поля обеспечивается на высоте 2000 км. Система сохраняет полную функциональность при выходе из строя 6 НКА (если по 2 в каждой плоскости)
Интервал повторяемости трасс движения НКА и, соответственно, зон радиовидимости наземными потребителями составляет 17 витков или 7 суток 23 часа 27 минут. Отсюда следует, что СНС ГЛОНАСС - не резонансная (синхронная), т.е. спутники в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронизма) с вращением Земли. Благодаря этому возмущающее влияние гравитационного поля меньше воздействует на работу системы, из-за чего орбитальная группировка ГЛОНАСС более стабильна, чем NAVSTAR. Не нужны дополнительные корректировки к орбитальной группировке ГЛОНАСС.
Из-за ограниченного количества топлива в НКА, переход на другую орбиту осуществляется крайне редко, при необходимости.
Выведение НКА на орбиту осуществляется по схеме, по 3 спутника одновременно (3 этапа): выведение на промежуточную круговую орбиту высотой около 200 км; переход на эллиптическую орбиту с перигеем 200 км и апогеем 19100 км и наклонением 64,3°; переход на круговую орбиту 19100 км. По времени этот процесс занимает от недели до месяца.
Все системы и специальное оборудование НКА помещены в герметичный контейнер диаметром 1,35м. На поверхность контейнера, обращенную к Земле, установлены антенно-фидерная система и панель уголковых отражателей.
С противоположной стороны топливные баки. НКА снабжены солнечными батареями, шириной 7,23 м. Вес аппарата 1487кг. Время активного существования до 5 лет и ведутся работы по улучшению - до 12-15 лет. Состав оборудования:
Бортовой хронизатор - для формирования высокостабильных частот и бортовой шкалы времени (цезиевый атомный стандарт) 207кг.
2. Бортовой навигационный передатчик состоящий из: аппаратуры формирования навигационных сигналов и антенно-фидерного обору-дования. Для повышения надежности дублируют некоторые блоки. Переключение на резервные блоки осуществляется автоматически или с Земли.
Антенно-фидерная система конструктивно представляет собой фазированную решетку, из 2-ух групп спиральных излучателей (4центральных и 1 периферийный кольцевой). Конструкция позволяет одновременно работать на частотах L1и L2.
Система координат используется геоцентрическая инерционная ПЗ-90.
Сегмент управления
Состоит из:
· Центр управления системой.
· Центральный синхронизатор.
· Системы контроля фаз.
· Аппаратура контроля поля.
Функции наземного сегмента:
· траекторные измерения для уточнения орбит спутников;
· временные измерения для определения расхождения бортовых времени относительно системной шкалы;
· синхронизация бортовых шкал;
· формирование и выгрузку на спутники служебную информацию (альманах, эфемериды, поправки);
· контроль за работой бортовых систем НКА.
Сеть станций ГЛОНАСС выгодно отличается от NAVSTAR тем, что станции расположены на территории своей страны.
Измерение траекторных изменений осуществляется запросным способом (по доплеровскому сдвигу).
Сегмент потребителя
После приема и обработки навигационных сигналов аппаратура потребителя измеряет и вычисляет навигационные параметры: псевдо-дальность и псевдоскорость; вычисляет геоцентрические координаты, пере-водит их в геодезические, вычисляет вектор скорости и высоту; находит поправку к местной шкале времени относительно системного времени.
Интерфейс
Интерфейс - это перечень требований, описаний и технических стан-дартов сигналов, путем которых происходит передача информации от косми-ческого сегмента к потребителю. (2 несущие частоты L1-1600МГц, L2-1250МГц)
Интерфейс системы ГЛОНАСС беззапросный, что значит, что на частотах L1 и L2 сигналы излучаются непрерывно, и любой потребитель в произвольный момент времени получает информацию, находясь в пассивном режиме.
Используется частотное разделение каналов. Не возникает неоднозначности, так как потребитель не может принимать сигналы одновременно двух антиподных спутников.
Время ГЛОНАСС
Основывается на водородном стандарте частоты, суточная нестабиль-ность которого 5*10 -14 с. UTC отличается от времени ГЛОНАСС на целое число часов (на +3 часа 00мин 00сек).
В связи с тем, что ГЛОНАСС применяется в таких чрезвычайно критичных к достоверности навигационной информации приложениях, как авиация, боевые действия войск, морская навигация и т.д., контролю целостности радионавигационного поля придается большое значение. Заклю-передаваемой им навигационной информации.
Самоконтроль на борту НКА
На спутниках ГЛОНАСС предусмотрен автономный непрерывный контроль функционирования основных бортовых систем.
Контроль наземными средствами
Существует 2 типа признаков состояния: Bn - НКА пригоден; Cn - не пригоден. Bn получается потребителем раньше, чем Cn. Но потребитель может пользоваться его информацией под свою ответственность (в NAVSTAR). В ГЛОНАСС - условная пригодность. Она зависит от того, какое оборудование на борту НКА вышло из строя.- автономный контроль целостности в приемнике потребителя. Суть способа в том, что для определения вектора потребителя (вектор скорости, широта, долгота, высота и время) достаточно 4 НКА. Если есть 5-ый НКА в зоне видимости, можно провести 5 сеансов, исключая по очереди 1 из спутников и определить неисправный спутник.
Полное созвездие NAVSTAR состоит из 24 действующих и не менее 3 резервных НКА. Действующие НКА движутся по 6 круговым орбитам, которые наклонены на 50° к плоскости экватора и на 60° между собой. Высота движения НКА=20180км. Период обращения 11ч 58мин.
НКА распределены так по орбитам, что в любой точке земной поверх-ности наблюдается 5 НКА (Исключения - полярные и приполярные области). Применяется несколько типов НКА. В середине 80-ых годов запущены первые несколько НКА серии «Block-1». С 1989г выводились на орбиту спутники серии «Block-2». В 1994 все НКА серии «Block-1» прекратили работу и уже находились в работе 24 «Block-2». Потом была серия «Block-2R» с 1996г и новая серия (к 2006г) «Block-2F».
Размеры НКА - 1,5м ширина, и длина - 5,3м. Состав оборудования: стандарты частоты, передатчики, синтезатор частоты, блок формирования навигационных сигналов, 1 основная и 2 резервные бортовые ЭВМ, системы ориентации и коррекции орбиты, телеметрии, приема и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления, система терморегулирования (теплоотводящие панели и нагревательные элементы) и электропитания (солнечные батареи, а в тени - аккумуляторы).
Для передачи навигационных сигналов применяются фазированные антенные решетки на основе спиральных излучающих элементов. В линии обмена данных между НКА и наземным комплексом управления используют спирально-конические и конические антенны.
Бортовая подсистема телеметрии осуществляет передачу по радиоканалу данных о состоянии бортовой аппаратуры в наземный сегмент управления. По этому же каналу с Земли передаются поправки. С помощью специального сигнала, отправляемого НКА и ретранслируемого обратно, определяют орбиту спутника.
Канал «Земля-борт» исп. Частоту 2227,5 МГц; «Борт-Земля» - 1783,74 МГц. Спутники «Block-2F» находятся в автономном режиме более 60 дней.
Сегмент управления
Сегмент управления отслеживает движение НКА, устраняет нако-пившиеся ошибки и выполняет корректировку орбит. Зная координаты наземных станций, имея эталон времени, можно измерить псевдодальность до НКА и рассчитать точное положение спутника на орбите.
Также принимают в главной станции астро-физическую и метеороло-гическую информацию, с целью определить эфемериды, учитывая поправки, возникающие из-за погодных изменений, вспышек на Солнце и т.д.
Наземные станции также принимают информацию о состоянии бортового оборудования. В случае обнаружения сбоев принимаются решения относительно работоспособности НКА.
Сегмент потребителей
Аналогично ГЛОНАСС состоит из: приемников и некоторых дополнительных устройств (антенны, интерфейс с исполнительными устройствами, вспомогательное программное обеспечение).
Область применения СНС NAVSTAR:
· военные задачи (целенаведение и указание);
· авиация (прокладка курса, автопосадка);
· морской транспорт (позиционирование, прокладка курса);
· наземный транспорт (контроль движения);
· геодезия и картография (картографирование);
· строительство (мосты, туннели);
· сельское хозяйство (разметка сель-хоз угодий);
· спасательные работы;
· частное использование в быту (охота, туризм).
Интерфейс системы
Подразумевает под собой перечень требований, описаний и технические стандарты сигналов, передаваемых от космического сегменту к потребителю. Используют 2 частоты для передачи навигационных сигналов с НКА: L1 1575,42 МГц; и L2 1227,6 МГц. Используется кодовое разделение сигналов (Все НКА работают на двух частотах, но каждый канал имеет свой код).
Интерфейс системы NAVSTAR так же как и ГЛОНАСС беззапросный.
псевдослучайных дальномерных кода:
· P-код - основной дальномерный код. Индивидуальный для каждого НКА (скорость передачи информации 10,23 Мбит/с)
· Y-код - вместо Р-кода, при включении режима предотвращения преднамеренных помех
· C/A - открытый код. Сначала использовались лицензированными пользователями.
Групповая задержка не превышает 15 нс.
Время GPS отличается от UTC на целое число секунд, так как UTC постоянно корректируют, а шкала времени GPS должна быть относительно непрерывной. В аппаратуре потребителя есть приспособление для перевода
времени GPS на UTC с точностью 90нс.
Проект Галилео
Галилео
(Galileo) -совместный проект спутниковой системы
навига-ции Европейского союза и Европейского космического агентства, является
частью транспортного проекта «Трансъевропейские сети
Космический сегмент будет обслуживаться наземной инфраструктурой, включающей в себя три центра управления и глобальную сеть передающих и принимающих станций.
В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется национальными военными ведомствами, однако, в 2008 году парламент ЕС принял резолюцию «Значение космоса для безопасности Европы», согласно которой допускается использование спутниковых сигналов для военных операций, проводимых в рамках европейской политики безопасности. Спутники «Галилео» будут выводиться на орбиты высотой 23 222 км, проходя один виток за 14 ч 4 мин и 42 с и обращаясь в трех плоскостях, наклоненных под углом 56° к экватору, что обеспечит одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Временная погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. За счет более высокой, чем у спутников GPS орбиты, на широте Полярного круга будет обеспечена точность до одного метра.
Каждый аппарат «Галилео» весит около 700 кг, его габариты со сложенными солнечными батареями составляют 3,02×1,58×1,59 м, а с развёрнутыми - 2,74×14,5×1,59 м, энергообеспечение равно 1420 Вт на солнце и 1355 Вт в тени. Расчетный срок эксплуатации спутника превышает 12 лет.
Первый этап
Первая фаза - планирование и определения задач.
Первый опытный спутник системы Галилео был выведен на расчётную орбиту высотой 23 222 км с наклонением 56° 28 декабря 2005 года (GIOVE-A). Основная задача GIOVE-A состояла в испытании дальномерных сигналов Галилео на всех частотных диапазонах.
Второй этап
Второй опытный спутник системы Галилео GIOVE-B был запущен 27 апреля 2008 года и начал передавать сигналы 7 мая 2008 года. Основная задача GIOVE-B состоит в тестировании передающей аппаратуры, которая максимально приближена к будущим серийным спутникам. GIOVE-B - первый спутник, в котором в качестве часов используется водородный мазер.
Оба спутника GIOVE предназначены для проведения испытаний аппаратуры и исследования характеристик сигналов.
Третий этап
Третий этап состоит в выводе на орбиты четырех спутников Galileo IOV, которые, будучи запущенными парами (два 20 октября 2011 года и ещё два в октябре 2012 года), создадут первое мини-созвездие Galileo. Запуски состоятся с помощью ракеты «Союз-СТБ». Спутники будут расположены на круговых орбитах на высоте 23 222 км.
декабря 2011 года Galileo передала на Землю первый тестовый навигационный сигнал - два спутника успешно включили свои передатчики. Специалисты Galileo включили главную антенну L-диапазона (1,2-1,6 гГц), с которой был передан первый для Galileo навигационный сигнал. В 12 октября 2012 года, были запущены на орбиту еще 2 спутника проекта Galileo, стало возможным первое позиционирование из космоса, так как для него необходимо по крайней мере четыре спутника.
Создание наземного сегмента: трех центров управления, пяти станций конт-роля за спутниковой группировкой, 30 контрольных приемных станций,
Центры управления будут расположены в Фучино (Италия) и Оберпфаффенхофене (Германия). Способность системы Галилео напрямую информировать пользователей о уровне целостонсти сигнала представляет основное существенное отличие от других систем спутниковой навигации.
Первые виды услуг должны быть представлены в 2014 году, все виды служб - не раньше 2016 года.
Всемирная сеть станций Galileo будет контролироваться Центром управления, находящимся в Фучино (Италия). Поправки в сигнал определения координат спутниками будут вноситься через каждые 100 минут или даже меньше.
Четвёртый этап
Четвёртый этап проекта будет запущен предположительно с 2014 года.
К 2015 году на орбиту будут выведены ещё 14 спутников, остальные - к 2020 году.
После завершения развертывания группировки, спутники обеспечат в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюса, 90%-ю вероятность одновременного приема сигнала от четырёх спутников. В большинстве мест на планете одновременно в зоне прямой видимости будут находиться шесть спутников Galileo, что позволит определить местоположение с точностью до одного метра. Для максимальной синхронизации спутники Galileo оснащены сверхточными атомными часами на рубидии-87 с максимальной ошибкой до одной секунды за три миллиона лет.
1.4.1 Структура спутниковых радионавигационных систем
Спутниковая радионавигационная система – специальный комплекс космических и наземных средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга актуальных задач, связанных, прежде всего с оперативным и точным определением местоположения относительно Земного сфероида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геологоразведочных, экологических и других задач.
Принцип работы глобальных навигационных спутниковых систем основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью.
Высокие эксплуатационные характеристики ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR достигаются путем совместного функционирования 3-х основных сегментов: космического, сегмента управления, сегмента потребителя.
Структура спутниковых радионавигационных систем строится таким образом, чтобы для большинства потребителей постоянно были видны более 6-и спутников (минимум 4). Функциональное назначение космических аппаратов или спутников – это формирование и излучение сигналов необходимых для решения потребителями задачи позиционирования и контроля местоположения самого спутника.
Излучаемые спутниками сигналы содержат дальномерную и служебную составляющую. Дальномерная используется потребителями для определения навигационных параметров (дальность до спутника, вектор скорости потребителя и его пространственную ориентацию). Служебная составляющая содержит данные о координатах спутников, шкале времени, векторах скоростей спутников, шкале времени, векторах скоростей спутников и т.д. (для базовых станций).
Основное предназначение ГЛОНАСС – глобальная и оперативная навигация наземных, морских, воздушных и низкоорбитальных космических объектов. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижной объект, оснащенный приемной навигационной аппаратурой, может в любом месте приземного пространства и в любой момент времени определить параметры своего движения – три координаты и три составляющие вектора скорости. Система разработана по заказу и находится в ведомстве Министерства Обороны РФ (Космические войска) и имеет статус системы двойного (военного и гражданского) назначения. Определено также, что федеральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддержание и развитие, являются Министерство обороны РФ и Федеральное космическое агентство.
Спутники системы (не менее 21 рабочего и 3 запасных) равномерно располагаются в трех орбитальных плоскостях (рисунок 2). Радиус круговых орбит – 25510 км, что соответствует периоду обращения 11 ч 15 мин 44 с. Каждый спутник системы ГЛОНАСС передает непрерывные навигационные сигналы на собственной несущей частоте в поддиапазонах L1 и L2 (1.6 и 1.25 ГГц).
Рисунок 2. Созвездия спутников ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR
Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора наземного комплекса управления системы .
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления, который предназначен для контроля правильности функционирования, непрерывного уточнения параметров орбит, управления и информационного обеспечения всех космических аппаратов системы и состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов (рисунок 3):
Центр управления системой (г. Краснознаменск, Московская область);
Центральный синхронизатор;
Сеть контрольных станций, рассредоточенных по всей территории России;
Система контроля фаз;
Кванто-оптические станции;
Аппаратура контроля навигационного поля.
Рисунок 3. Наземный комплекс управления ГЛОНАСС
Центральный синхронизатор формирует шкалу времени системы и опорные сигналы для беззапросных измерительных станций. Кванто-оптические станции предназначены для переодической калибровки радиотехнических каналов измерения дальности. Система контроля фаз обеспечивает измерение фазового и частотного сдвига сигналов спутника относительно эталона центрального синхронизатора.
GPS Navstar - это спутниковая система радионавигации и передачи точного времени. Основные сегменты GPS: орбитальная спутниковая группировка, система мониторинга и контроля, подразделение пользовательского оборудования. В качестве универсальной системы позиционирования GPS предоставляет уникальные сервисы, не предоставляемые в настоящее времени ни одной другой системой – это сверхточное трехмерное определение координат, измерение скорости и определение точного времени; всепогодность; работа в режиме реального времени; устойчивость к факторам окружающей среды.
GPS Navstar является итогом совместной работы Военно-Воздушных сил США, Центра ракетных вооружений, Воено-Космических сил, Лос-Анжелесской базы ВВС. Эти ведомства несут ответственность за развитие и разработку спутникового оборудования, наземных систем и пользовательского оборудования военного предназначения .
NAVSTAR формально состоит из спутниковой группировки в количестве 27-и спутников, расположенных на почти круговых орбитах с большой полуосью 26560 км, обеспечивающих радио-позиционирование и передачу сигналов точного времени как для военных целей, так и для гражданских потребителей услуг всего мира. Спутники размещаются в шести орбитальных плоскостях с наклонением 55º (рисунок 2). Спутники передают непрерывный навигационный сигнал в двух L-диапазонах (L1 – 1.5 и L2 – 1.2 ГГц) . Система является точным хранителем времени.
Контрольным сегментом являются станции управления и контроля. Их главными функциями являются:
Отслеживание орбит спутников;
Отслеживание и поддержка рабочего состояния спутников;
Формирование системного времени GPS Time;
Расчет эфемерид спутников и параметров часов;
Осуществление коррекции спутников на орбитах по мере необходимости.
Сигналы спутников системы GPS непрерывно отслеживаются со станций слежения, широко распределенных на земном шаре (рисунок 5). Оборудование станций слежения состоит преимущественно из GPS приемников с цезиевидыми стандартами частоты, метрологических инструментов и оборудования для передачи измерений через наземные и спутниковые линии связи на Главную станцию управления, которая находится на военно-воздушной базе Шривер, около города Колорадо Спрингс. Данные со станции слежения используются для определения и прогнозирования орбит спутников и поправок их часов.
Рисунок 5. Расположение станций контрольного сегмента GPS
Для точного позиционирования в геодезии используются приемники, работающие на несущей частоте (фазовые или геодезические приемники). Фазовые приемники бывают одночастотными и двухчастотными. Двухчастотные приемники позволяют определить координаты с более высокой точностью, так как позволяют учитывать влияние ионосферной рефракции.
Геодезические приемники работают в 2 основных режимах определения координат точек: статистическом и кинематическом. Наиболее точным является статический режим. В геодезической практике его используют для создания съемочного обоснования .
Кинематический режим менее точен, но он более продуктивен для быстрого определения пространственных координат пикетов. Режим кинематики реализуется следующим образом. На пункте с известными координатами устанавливается приемник, а второй приемник перемещается по пикетам. Оба приемника должны одновременно отслеживать одни и те же созвездия спутников.
Спутниковые Навигационные Системы (Часть1)
1. Общие сведения о СНС
2. СНС ГЛОНАСС
3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO )
4. СНС КОМПАСС (KOMPASS )
1. Общие сведения о СНС
В данной статье будут рассмотрены основные характеристики и особенности трех спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GALILEO , KOMPASS ). Все три СНС используются для определения местоположения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования.
Все СНС имеют три сегмента: сегмент управления (наземные станции), космический сегмент (спутники) и потребительский сегмент (навигационные приемники).
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от навигационного приемника (координаты которого необходимо получить) до спутников , положение которых известно с высокой точностью . Навигационное сообщение содержит альманах (неоперативная информация) и эфемерис (оперативная информация). Информация о положении всех спутников содержится в альманахе. Альманахом должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений . Эфемерис содержит информацию о соответствующем спутнике. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Есть три режима работы приемника: “горячий старт” (актуальность альманаха и эфемериса), “теплый” старт (актуальность альманаха) и “холодный” старт (первоначальное включение навигационного приемника или включение). Зная расстояния до нескольких спутников системы и на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве. Это осуществляется с помощью системы уравнений псевдодальности.
Метод измерения расстояния от спутника навигационного приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн (скорость берется равной скорости света). Метод заключается в том, что каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные бортовые часы . После принятия этого сигнала навигационный приемник синхронизирует свои часы с системными часами. При следующем приеме сигналов вычисляется задержка между моментом передачи, информация о котором содержится в сигнале, и моментом приёма сигнала. Располагая этой информацией определяется дальность в пределах кольца дальности. В связи с тем, что в любой момент времени видимы несколько спутников, спутник с наименьшей задержкой будет находиться в первом кольце дальности, а остальные спутники будут располагаться относительно первого. После определения дальности до всех спутников, выбора оптимального созвездия (близкое к тетраэдру) и решения системы уравнений, навигационный приёмник вычисляет координаты приемника. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, за которое спутник переместился из одной с известными координатами до другой.
В реальности на точность работы системы оказывают влияние следующие факторы:
1) Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Эта проблема решается путем приема сигналов от нескольких спутников. Для определения местоположения на плоскости необходим прием сигналов от не менее чем от трех спутников, а для определения местоположения в пространстве необходим прием сигналов от не менее чем от четырех спутников
2) Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников. Эта проблема решается путем введения поправок в модель орбит;
3) Неоднородность атмосферы Земли , из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;
4) Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
5) Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.
2. СНС ГЛОНАСС
СНС ГЛОНАСС – отечественная спутниковая система навигации. Началом считается запуск 4 октября 1957 года первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ).
СНС ГЛОНАСС была полностью развернута в 1995 году и включала в свой состав 24 спутника. Однако, к 2001 году число функционирующих спутников сократилось до 6. В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 - ПЗ-90.02. Затем в 2004 году были запущенны новые спутники ГЛОНАСС-М, которые транслировали два гражданских сигнала на частотах L1 и L2. Далее в 2007 году была проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, в результате чего увеличилась точность определения координат. Во 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления установили новую измерительную систему с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличилась точность расчёта эфемерид и ухода бортовых часов, что привело к повышению точности навигационных определений. 2 сентября 2010 года общее количество спутников ГЛОНАСС было доведено до 26 - группировка была полностью развёрнута для полного покрытия Земли. В результате программы модернизации системы наземного комплекса управления 2011 стало увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2.5 раза, что составляет порядка 2.8 м для гражданских потребителей. В феврале 2011 года был запущен первый спутник ГЛОНАСС-К , в котором были использованы дополнительные сигналы в формате CDMA , а так же начал осваиваться диапазон L 3.
Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19400 кмс наклонением 64.8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах). Спутниковая группировка развёрнута в трёх орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316-500 Вт (25-27 дБ). Тип эфемерид – геоцентрические координаты и их производные.
Рис 1 Орбитальные плоскости СНС ГЛОНАСС
В СНС ГЛОНАСС изначально использовались диапазоны L 1 и L 2. В данных диапазонах используется частотное разделение каналов с прямым расширением спектра путем умножения на одну и ту же псевдослучайную последовательность, вид модуляции BPSK , число каналов 12 (число каналов меньше 24 из-за того что в любой момент времени в зоне видимости находятся только несколько спутников). Планируется в будущем в этих диапазонах использовать кодовое разделение каналов (несущие частоты точно еще не известны).
L 1: f = f 0 + kf д1 , f 0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц;
L 2: f = f 0 + kf д1 , f 0 = 1602 МГц, fд1 = 562.5 кГц
Рис.2 Распределение частотных каналов
Рис. 3 Несущие частоты каналов
Навигационное сообщение СНС ГЛОНАСС включает в себя строки, кадры и суперкадры. В пределах сроки передается системная метка времени. Длительность строки 2 с. В кадре передается полный объем эфемериса и часть альманаха. Кадр состоит из 15 строк и имеет длительность 30 с. Суперкадр состоит из 5 кадров и имеет длительность 150 с. В суперкадре передается весь альманах.
В диапозоне L 3 используются кодовое разделение каналов ( CDMA ). Несущая частота 1202.025 МГц. Вид модуляции QPSK .
Рис. 4 Распределение каналов
Суперкадр (длительностью 2 минут) состоит из 8 кадров (для 24 спутников ГЛОНАСС на первом этапе развития). В будущем планируется суперкадр из 10 кадров и будет иметь продолжительность 2,5 минуты для 30 спутников. Каждый кадр (ддлительностью 15 секунд) состоит из 5 строк (длительностью 3 секунд). Каждый кадр имеет полный набор эфемерид для текущего спутника и часть системы альманаха для трех спутников. Полный альманах передается в одном суперкадре. Маркер времени находится в начале строки, и задается числом строки в текущий день по бортовой шкале времени шкале времени.
Рис.5 Структурная схема формирователя сигналов СНС ГЛОНАСС L1/ L 2 диапазона
Во всех трех диапазонах ГЛОНАСС используется два вида дальномерных сигналов: стандартной точности и повышенной точности.
Параметры сигналов диапазонов L 1 и L 2:
1) Дальномерные сигналы стандартной точности имеют следующие параметры: длина кода 511, период повторения 1 мс, полоса сигнала 0.5 МГц ;
2)Дальномерные сигналы повышенной точности имеют следующие параметры: длина кода 511000, период повторения 1 с, полоса сигнала 1 МГц .
Параметры сигнала стандартной точности диапазона L 3:
1) Псевдослучайный дальномерный код - усеченная последовательность Касами (в диапазонах L1 и L2 - М-последовательность);
2) Тактовая частота псевдослучайного дальномерного кода: 10,23 МГц (в диапазонах L1 и L2 - 0,511 МГц);
3) Длительность псевдослучайного дальномерного кода осталась той же: 1 мс, однако дальномерный код дополнительно модулируется 10-символьным кодом Хэмминга (его вид: "0000110101"). Длительность каждого символа кода Хэмминга: 1мс;
4) Сигналы разных спутников будут разделяться с помощью технологии CDMA (в диапазоных L1 и L2 используется частотное разделение FDMA);
5) Цифровая информация, передающаяся в составе излучаемого сигнала, кодируется с помощью сверточного кодера;
6) Изменена длительность строк, кадров и суперкадров навигационной информации.Дальномерные сигналы повышенной точности используются авторизованными пользователями (например, ВС РФ). Эти сигналы передаются вместе с сигналами стандартной точности, но их параметры засекречены.
Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 2,8 метров.
Для повышения точности системы ГЛОНАСС используются система дифпоправок и мониторинга за рубежом . Первая зарубежная станция была построена и успешно функционирует в Антарктиде на станции «Беллинсгаузен ». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России, одну станцию в Антарктиде и одну в Бразилии .
3. СНС ГАЛИЛЕО (GALILEO )
СНС ГАЛИЛЕО - совместный проект спутниковой системы навигации Евросоюза и Е вропейского космического агенства . Так же в проекте участвуют Китай , Израиль , Южная Корея , Аргентина , Австралия , Б разилия , Чили , Индия , Малайзия .
Спутники «Галилео» находятся на орбите высотой 23 222 км, период обращения 14 ч 4 мин и 42 с. Спутники расположены в трех плоскостях, наклонённых под углом 56° к экватору, что обеспечивает одновременную видимость из любой точки земного шара по крайней мере четырёх аппаратов. Погрешность атомных часов, установленных на спутниках, составляет одну миллиардную долю секунды, что обеспечит точность определения места приёмника около 30 см на низких широтах. Тип эфемерид – модифицированные кеплеровы элементы.
Рис. 6 Орбитальные плоскости СНС ГАЛИЛЕО
Данный проект состоял из четырех этапов:
1) 28 декабря 2005 года бал выведен на орбиту первый спутник GIOVE - A , задача которого состояла в тестировании дальномерных сигналов в нескольких диапазонах;
2) 27 апреля 2008 года был запущен спутник GIOVE - B , задача которого состояла в тестировании аппаратуры. В нем использовался водородный эталон времени. Он передавал несколько модификаций дальномерных сигналов в диапазоне L 1;
3) Запуск первой группы спутников из четырех спутников (по два спутника в октябре 2011 года и в октябре 2012) GALILEO IOV ;
4) К 2018 году планируется формирование полной орбитальной группировки из 30 спутников
Частотные планы
В системе используется кодовое разделение каналов ( CDMA ) и передача в нескольких частотных диапазонах:
1) Диапазон L 5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1176.45 МГц );
2) Диапазон E 5 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1207.14 МГц );
3 ) Диапазон E 6 используется для передачи коммерческого сигнала (f 0 = 1278.75 МГц );
4) Диапазон L 1 используется для передачи гражданского сигнала (f 0 = 1575.42 МГц );
В диапазоне L 1 передаются три сигнала: сигнал повышенной точности (параметры сигнала засекречены), сигнал стандартной точности и пилот-сигнал.
Параметры сигнала стандартной точности: длина кода 1023, длительность 4092 мкс, полоса сигнала 1 МГц.
Параметры сигнала повышенной точности: длина кода 2046, длительность 8184 мкс, полоса сигнала 2 МГц.
Точность определения местоположения составляет 5 м для сигналов стандартной точности
4. СНС КОМПАСС (KOMPASS )
СНС КОМПАСС (KOMPASS ) – китайская спутниковая система навигации. Первоначальное название Бйдоу ( BeiDou ).
Данный проект состоял из трех этапов:
1) 2000-2003: Экспериментальная система Бэйдоу из трёх спутников;
2) к 2012 году: Региональная система для покрытия территории Китая и прилегающих территорий;
3) к 2020 году: Глобальная навигационная система («Бэйдоу-2») , которая будет состоять из 5 спутников на геостационарной орбите, 27 на орбитах средней высоты (21500 км над Землей) и три спутника на высоте 38300 км в наклонных орбитальных плоскостях на 55° к экватору Земли (один из трех спутников всегда находится над территорией Китая) .
Рис. 7 Орбитальные плоскости СНС КОМПАСС
Первый спутник, «Бэйдоу-1А», был запущен 30 октября 2000 года. Второй, «Бэйдоу-1B», - 20 декабря 2000. Третий спутник, «Бэйдоу-1C», отправлен на орбиту 25 мая 2003 как подстраховочный. С этого момента система считается введенной в эксплуатацию. 27 февраля 2007 года был также запущен четвёртый спутник в рамках «Бэйдоу-1», называемый иногда «Бэйдоу-D», а иногда - «Бэйдоу-2А». Он выполняет функции подстраховки. В апреле 2007 успешно выведен на орбиту первый спутник группировки «Бэйдоу-2», названый «Компас-M1». Данный спутник является настроечным для частот Бэйдоу-2. Второй спутник, «Компас-G2», запущен 15 апреля 2009. Третий («Компас-G1») запущен на орбиту 17 января 2010. Четвёртый спутник запущен 2 июня 2010. 24 февраля 2011 было развернуто 6 действующих спутников. 4 спутника видны в Москве : COMPASS-G3, COMPASS-IGSO1, COMPASS-IGSO2 и COMPASS-M1. 27 декабря 2011 года «Бэйдоу» была запущена в тестовом режиме, охватывая территорию Китая и сопредельных районов. 27 декабря 2012 система была запущена в коммерческую эксплуатацию как региональная система позиционирования, при этом спутниковая группировка составляла 16 спутников. 8 мая 2014 система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что её точность составляет менее 1 метра.
Параметры сигнала стандартной точности: длинна кода 2046, длительность 1 мс, полоса сигнала 2 МГц.
Параметры сигнала повышенной точности: длинна кода 10230, длительность 1 мс, полоса сигнала 10 МГц.
В системе используется кодовое разделение каналов и передача в трех диапазонах:
1) Диапазон E 2 используется для передачи сигналов стандартной точности (f 0 = 1561.098 МГц );
2) Диапазон E 5 используется для передачи сигналов стандартной точности (f 0 = 1207.14 МГц );
3) Диапазон E 6 используется для передачи сигналов повышенной точности (f 0 = 1268.58 МГц ).
Навигационное сообщение NAV D1 (стандартной точности) передается в виде суперкадров длительностью 12 мин. Каждый суперкадр состоит из 24 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров длительностью 6 с. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадры с 1 по 3 используются для передачи эфемериса, подкадры 4 и 5 используются для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.
Навигационное сообщение NAV D2 (повышенной точности) передается в виде суперкадров длительностью 6 мин. Каждый суперкадр состоит из 120 кадров длительностью 3 с. Каждый кадр состоит из 5 подкадров. Подкадр состоит из 10 слов. Подкадр 1 используется для передачи эфемериса, а подкадр 5 используется для передачи альманаха и информации о временной синхронизации с другими навигационными системами.
Навигационное сообщения основном включает в себя: эфемериды спутника, сдвиг бортовой шкалы времени; параметры модели ионосферных задержек; информация о работоспособности спутника; доплеровский сдвиг, информация о созвездии и так далее
Литература:
1) Бакке А.В. Курс лекций по ССПО;
